Brevet FR3017657A1 — publié le 20150821

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la mesure de la vitesse de rotation d'un arbre tournant dans une turbomachine. Elle vise plus précisément un dispositif de mesure du couple de torsion transitant dans un arbre d'entraînement du rotor de turbine d'une telle turbomachine. De façon connue, les hélices d'un turbopropulseur peuvent être entraînées en rotation directement ou indirectement par l'intermédiaire d'un réducteur épicycloïdal (PGB pour Power Gear Box). Généralement, ce réducteur épicycloïdal comporte un ensemble d'éléments roulants à dentures droites dont un planétaire qui est centré sur l'axe longitudinal du turbopropulseur et qui est relié vers l'amont à l'arbre d'entrainement du rotor de la turbine pour être entraîné par celle-ci. En aval, ce planétaire transmet en sortie son mouvement de rotation, avec une vitesse et un couple différent, sur la couronne et le porte-satellites, aux arbres d'entrainement des pales de soufflante du turbopropulseur. Compte tenu de l'environnement mécanique dans lequel évolue le turbopropulseur, les désalignements entre les axes des arbres reliés aux différents éléments roulants du réducteur épicycloïdal se répercutent directement dans leurs dentures. Aussi, pour réduire de manière importante la concentration de contraintes dans les dentures droites de ce réducteur épicycloïdal, il est connu de créer une différence de raideur en flexion des arbres en entrée et en sortie du réducteur, ce qui a pour effet de réduire l'effort nécessaire pour que les extrémités de ces arbres soient coaxiales. Les désalignements éventuels entre arbres sont ainsi compensés par les souplesses apportées par des liaisons flexibles et sont ensuite répercutés au niveau des contacts entre dentures droites des éléments roulants du réducteur épicycloïdal par le coulissement relatif de ceux-ci. Pour acquérir des données notamment sur le fonctionnement transitoire du turbopropulseur et la surveillance des couples exercés sur les arbres d'entrainement, il est demandé de mesurer le couple en entrée du réducteur épicycloïdal afin que le calculateur de régulation du turbopropulseur ait la capacité de réaliser des actions de régulation automatiques. Or, dans les turbopropulseurs actuels, le couple est mesuré au moyen de couple-mètres dont la mesure est basée sur la torsion angulaire d'un arbre cylindrique qui peut être soit l'arbre d'entrée, soit un arbre disposé à l'intérieur même du réducteur épicycloïdal. Toutefois, l'inconvénient de ces dispositifs est la nécessité de disposer d'un arbre cylindrique d'une longueur suffisamment importante pour analyser avec précision un angle de torsion dont la valeur n'excède pas quelques degrés, typiquement environ 2.5°, ce qui, outre que ce n'est pas toujours possible, implique donc de créer des sur-longueurs moteur particulièrement pénalisantes en matière d'encombrement et de masse transportée. Il existe donc un besoin non satisfait pour un arrangement technologique permettant cette mesure de couple avec une précision suffisante dans un encombrement restreint. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de fournir une mesure de couple précise tout en modifiant le moins possible les caractéristiques de 25 l'ensemble tournant de la turbomachine et notamment son encombrement. Ce but est atteint grâce à un dispositif de mesure de couple de torsion dans un arbre d'entrainement de turbomachine apte à transmettre un couple de torsion autour d'un axe longitudinal, caractérisé en ce qu'un 30 flasque souple d'une liaison flexible montée à une extrémité dudit arbre pour compenser des éventuels désalignements, comporte un premier disque s'étendant radialement et un premier ensemble de dents dirigées selon ledit axe longitudinal et destiné à coopérer avec un second ensemble de dents d'un second disque non soumis au couple de torsion, les dents de 35 ces deux ensembles étant imbriquées les unes dans les autres mais ne se touchant pas et au moins un capteur solidaire d'une partie fixe de ladite turbomachine étant placé en regard de ses deux ensembles de dents afin de déterminer par une mesure de décalage angulaire résultant de la déformation dudit premier disque sous le chargement dû au couple de torsion, une valeur du couple de torsion transmis par ledit arbre d'entrainement. Le recours à une déformation des flasques souples (les deux flasques travaillent en torsion, chacun des rayons travaillant en flexion à l'intérieur de chaque flasque) constituant les liaisons flexibles dont la présence est -1 o obligatoire pour éliminer les phénomènes de désalignement affectant les arbres d'entrainement de la turbomachine, notamment dans le cas d'une liaison avec un réducteur épicycloïdal, permet de réaliser de façon simple un dispositif de mesure de couple de torsion à l'encombrement restreint. 15 Avantageusement, ledit premier disque a la forme d'une roue ajourée dont des rayons reliant un moyeu à une jante présentent des épaisseurs variables allant croissant du moyeu à la jante, de façon à éviter des pics de contrainte et permettre une déformation maximum. 20 De préférence, lesdits rayons s'enroulent autour dudit moyeu dans le sens de rotation dudit arbre tout en laissant entre eux des espaces suffisants pour le passage des dents dudit second disque. Avantageusement, ledit second disque a la forme d'une roue ajourée 25 dont des rayons reliant un moyeu à une jante s'enroulent autour dudit moyeu dans un sens de rotation opposé à celui desdits rayons dudit premier disque. De préférence, l'espacement entre chacune desdites dents dudit 30 premier disque est non régulier pour permettre au signal reçu par ledit au moins un capteur de se relaxer suffisamment longtemps avant la détection d'une dent suivante. Lesdites dents dudit second disque sont placées à 5/9 de l'angle entre deux dents dudit premier disque, lesdits premier et second ensembles de dents comportant chacun entre 4 et 6 35 dents. L'invention concerne aussi un arbre d'entrainement de turbomachine apte à transmettre un couple de torsion autour d'un axe longitudinal, une extrémité dudit arbre étant munie d'une liaison flexible pour compenser des éventuels désalignements, ladite liaison flexible comportant un flasque souple s'étendant radialement vers l'extérieur, caractérisé en ce que ledit flasque comporte un premier disque et un premier ensemble de dents dirigées selon ledit axe longitudinal et destiné à coopérer avec second ensemble de dents d'un second disque non soumis au couple de torsion, les dents de ces deux ensembles étant imbriquées les unes dans les autres mais ne se touchant pas et au moins un capteur solidaire d'une partie fixe de ladite turbomachine étant placé en regard de ses deux ensembles de dents afin de déterminer par une mesure de décalage angulaire résultant de la déformation dudit premier disque sous le chargement dû au couple de torsion, une valeur du couple de torsion transmis par ledit arbre d'entrainement. Avantageusement, ladite liaison flexible est l'une des liaisons flexibles montées de part et d'autre d'un réducteur épicycloïdal de ladite turbomachine. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent un simple exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un turbopropulseur à double hélice de l'art antérieur comportant un réducteur épicycloïdal ; et - la figure 2 est une vue d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de mesure de couple de torsion selon l'invention ; - les figures 3 et 4 montrent respectivement en perspective éclatée et en perspective le dispositif de mesure de couple de torsion de la figure 2 ; et - la figure 5 est une vue d'un second mode de réalisation d'un dispositif de mesure de couple de torsion selon l'invention. Description détaillée de l'invention La figure 1 représente de façon très schématique un exemple de réalisation d'un turbopropulseur d'avion du type à double hélice de l'art antérieur sur lequel le dispositif de mesure de couple de torsion selon l'invention peut être monté. Un tel turbopropulseur est bien connu et ne sera donc pas décrit en détail. Le turbopropulseur 10 comprend notamment un axe longitudinal 12 et o une nacelle annulaire 14 disposée coaxialement autour de cet axe longitudinal. Le turbopropulseur 10 comprend outre, d'amont en aval, un compresseur basse-pression 16, un compresseur haute-pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute-pression 22 et une turbine de pression intermédiaire 24. 15 En aval de la turbine de pression intermédiaire 24 se trouve un système d'hélices contrarotatives, à savoir un ensemble amont (ou avant) 25a et un ensemble aval (ou arrière) 25b de pales de soufflante à orientation réglable, entraîné en rotation au moyen d'une turbine basse-pression 26 20 disposée en aval de la turbine de pression intermédiaire 24. Cette turbine basse-pression comporte notamment un rotor 28 qui entraîne en rotation les deux ensembles 25a, 25b de pales de soufflante par l'intermédiaire d'un dispositif de réduction épicycloïdal 30. 25 Ce dispositif de réduction épicycloïdal 30 comporte un planétaire 32 qui a la forme d'une roue dentée extérieurement, centré sur l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur et solidaire vers l'amont du rotor 28 de la turbine basse-pression 26 via un arbre d'entrainement de rotor de turbine 28A. Il comporte également au moins un satellite 34, et de 30 préférence plusieurs (par exemple entre trois et six), chaque satellite ayant la forme d'une roue dentée extérieurement et engrenant avec le planétaire 32. Chaque satellite 34 présente un axe qui excentré par rapport à l'axe longitudinal 12 et est porté de manière rotative par un porte-satellites 36 centré sur l'axe longitudinal 12, ce porte-satellites 35 étant solidaire en aval de l'ensemble amont 25a de pales de soufflante de façon à pouvoir l'entraîner directement en rotation autour de l'axe longitudinal 12. Le dispositif de réduction épicycloïdal 30 comporte aussi une couronne 38 centrée sur l'axe longitudinal 12 et engrenant chaque satellite 34 par ses dentures intérieures, cette couronne étant solidaire en aval de l'ensemble aval 25b de pales de soufflante de façon à pouvoir l'entraîner directement en rotation autour de l'axe longitudinal 12. Ce réducteur épicycloïdal est dit inversé car l'arbre d'entrainement 40 de l'hélice aval en sortie de couronne est à l'intérieur de l'arbre d'entrainement 42 de l'hélice amont en sortie de porte-satellites. Ainsi, le rotor 28 de la turbine basse-pression entraîne en rotation le planétaire 32 du dispositif de réduction épicycloïdal 30 qui lui-même retransmet ce mouvement de rotation, par l'intermédiaire du porte-satellites 36 (via les satellites 34) et de la couronne 38, à la fois à l'ensemble amont 25a et l'ensemble aval 25b de pales de soufflante pour les entraîner en rotation de façon contrarotative. Le planétaire 32 est relié au rotor de façon flexible (souple en flexion) au travers d'une première liaison flexible 44 et la couronne 38 est reliée à la seconde hélice (l'ensemble aval 25b de pales de soufflante) également de façon flexible au travers d'une seconde liaison flexible 46, le porte-satellites 36 étant quant à lui relié de façon raide à la première hélice (l'ensemble amont 25a de pales de soufflante). Ainsi, en couplant le planétaire et la couronne avec leur arbre respectif grâce à des liaisons flexibles, il est possible de limiter la concentration de contraintes dans les dentures des éléments roulants en cas de désalignement angulaire ou radial des différents arbres. Selon l'invention et comme le montre la figure 2, en amont du réducteur épicycloïdal, l'arbre d'entrainement de rotor de turbine 28A qui lui transmet le couple présente la forme d'un fût légèrement déformable comprenant une extrémité amont qui est munie d'un flasque 48 comportant un disque 48A s'étendant radialement vers l'extérieur et un premier ensemble de dents 48B (dents dites de « puissance ») dirigées axialement selon l'axe longitudinal 12. Ce premier ensemble de dents est soumis au couple de torsion (le disque 48A portant ce premier ensemble de dents 48B soumis au couple de torsion sera par périphrase inversée appelé dans la suite de la description disque de torsion) Le disque de torsion est fixé à un autre disque 50A qui lui fait face, solidaire du rotor 28 de la turbine 301 7 6 5 7 7 basse-pression 26, par l'intermédiaire d'une pluralité de liaisons boulonnées 52. L'ensemble de dents de ce disque 50A qui n'est pas soumis au couple peut donc servir de référence pour une mesure de décalage angulaire et comme le précédent comporte un second ensemble de dents 5 50B (dents dites de « référence ») s'étendant aussi axialement (le disque 50A portant ce second ensemble de dents 50B sera par périphrase inversée appelé dans la suite de la description disque de référence). Les dents de ces deux disques sont imbriqués les unes dans les autres mais ne se touchent pas. Avantageusement, on pourra disposer entre 4 et 6 dents sur chaque 10 arbre (soit entre 8 et 12 dents pour le dispositif de mesure de couple en son entier). Un ou plusieurs capteurs 54A, 54B solidaire d'une partie fixe de stator 56 est placé en regard de ses deux ensembles de dents afin de déterminer un 15 désalignement (écart angulaire) et donc une valeur du couple selon le principe de mesure connu de l'homme de l'art, par exemple du brevet FR2931552, la mesure du couple étant permise par la déformation relative des deux flasques formant ensemble un accouplement mécanique souple permettant à l'arbre d'entrainement de se déformer radialement sous l'effet 20 de contraintes mécaniques radiales qu'il pourrait subir du fait des déformations subies en fonctionnement par le turbopropulseur. Le ou les capteurs détectant le passage de dents sont de préférence réalisés en technologie inductive à reluctance variable. 25 Pour ce faire, le capteur est bien entendu capable d'envoyer à un système de traitement adéquat, connu en soi, des mesures permettant de compter les passages des dents lorsque l'arbre d'entrainement 28A tourne. Ces dents sont positionnées de façon à se répartir de manière périodique sur la circonférence du disque de torsion comme du disque de référence, 30 l'homme du métier sachant appliquer un traitement du signal adéquat aux mesures du capteur pour retrouver le couple de torsion agissant sur l'arbre d'entrainement. On notera les contraintes suivantes à prendre en compte pour le 35 dimensionnement des arbres. Tout d'abord, l'espacement entre chaque dent doit permettre au signal du capteur de se relaxer suffisamment 3 0 1 7 6 5 7 longtemps avant la détection par ce capteur de la dent suivante. Ensuite, il faut prendre en compte les contraintes de relation entre largeur de la dent et diamètre de masse polaire, selon les pratiques connues de conception usuelle, la largeur de dent maximum et le diamètre de la roue définissant 5 ainsi un nombre maximum de dents sur la roue. Enfin, il faut pouvoir discriminer le temps écoulé entre une dent de «référence» de l'arbre 50 et une dent de «puissance» de l'arbre 48 du temps écoulé entre une dent de «puissance» et une dent de «référence», puisque le but sera ensuite d'en faire le ratio pour retrouver la torsion d'arbre (bien entendu, il faut io forcément au moins une dent sur chaque roue pour pouvoir faire ce ratio). A cet effet, on prendra soin de choisir un espacement non régulier des dents 48B de l'arbre de torsion, tout en respectant les contraintes ci-dessus. Typiquement, on placera les dents 50B de référence à 5/9 de l'angle entre deux dents 48B de l'arbre de torsion 48. 15 Le disque de torsion 48 dont la structure est illustrée plus précisément sur les perspectives des figures 3 et 4, est fortement ajouré pour faciliter sa déformation sous le chargement dû au couple et se présente sous la forme d'une roue dont les « rayons » 58 reliant le moyeu 60 à la jante 62 sont 20 conçus avec des épaisseurs variables, de façon à éviter des pics de contrainte (la concentration de contraintes va en s'accroissant de la jante au moyeu) et obtenir une déformation maximum (typiquement une torsion égale à 2,5 degrés en charge maximale). La forme de ces rayons est adaptée au sens de rotation pour que les rayons se déforment tels des 25 poutres au contraire de l'arbre d'entrainement qui soumis au couple risque un flambage dû à la torsion. Cependant, il est possible de faire des rayons qui s'étendent radialement entre le pignon et la jante, avec des bases plus larges que les extrémités (épaisseur variable). Comme le montre la figure 3, les dents 48B sont réparties régulièrement, sensiblement au niveau de la 30 périphérie du moyeu 60. On notera toutefois que les rayons ne doivent pas s'enrouler trop autour du moyeu pour pouvoir laisser entre eux des espaces suffisants pour le passage des dents du disque de référence 50 qui devront coopérer avec 35 celles du moyeu, pour transmettre le couple et enfin pour résister au couple ultime qui peut se produire en cas de cassage d'aube, d'hélice ou d'un autre organe de la turbomachine. Comme le disque de torsion 48, le disque de référence 50 peut aussi se présenter sous le forme d'une roue à rayons dont les rayons sont toutefois, comme le montre la figure 3, déformés dans le sens opposé de celui du disque de torsion 48. La figure 5 illustre un second exemple de réalisation d'un dispositif de mesure de couple de torsion selon l'invention mis en oeuvre dans un turbopropulseur plus classique à simple hélice mais ayant une entrée d'air de type courte. Comme pour le mode de réalisation de la figure 2, l'arbre d'entrainement de rotor de turbine 28A présente la forme d'un fût légèrement déformable comprenant une extrémité qui est munie d'un flasque 64 comportant un disque (que l'on appellera disque de torsion) 64A s'étendant radialement vers l'extérieur et un premier ensemble de dents 64B dirigées axialement selon l'axe longitudinal 12 et il est fixé via une bride en U boulonnée 66 à un flasque de prolongation 68 de l'arbre d'entrainement du rotor de turbine s'étendant également radialement vers l'extérieur et que traverse le premier ensemble de dents. Face à elles et imbriquées les unes dans les autres mais sans se toucher est disposé un autre flasque 70 avec un second ensemble de dents 70B d'un autre disque (que l'on appellera disque de référence) 70A solidaire du rotor et qui n'étant pas soumis au couple peut servir de référence pour la mesure du décalage angulaire. Un ou plusieurs capteurs 72A, 72B solidaire d'une partie fixe de stator 74 est placé en regard de ses deux ensembles de dents afin de déterminer un désalignement (écart angulaire) et donc une valeur du couple comme il a été rappelé précédemment. Si besoin, le nombre de flasques portés par l'arbre d'entrainement peut être 30 adapté en fonction du couple, de l'encombrement axial et radial pour être en capacité de mesurer précisément les déformations angulaires. L'utilisation des flasques souples des liaisons flexibles comme disques de torsion permet de supprimer la contrainte résultant d'un arbre de 35 dimension minimale existant avec les dispositifs de mesure de l'art antérieur. Cette déformation d'une pièce séparée plus souple que l'arbre facilite la mesure et permet ainsi en substituant le disque de torsion au flasque souple et en réduisant potentiellement la longueur de la turbomachine, de loger le dispositif de mesure dans un encombrement restreint, par exemple entre le carter d'entrée et le PGB dans un turbopropulseur avec une entrée d'air de type courte. REVENDICATIONS1. Arbre d'entrainement de turbomachine apte à transmettre un couple de torsion autour d'un axe longitudinal (12), une extrémité dudit arbre étant munie d'une liaison flexible (44, 46) pour compenser des éventuels désalignements, ladite liaison flexible comportant un flasque souple (4e, 64) s'étendant radialement vers l'extérieur, caractérisé en ce que redit flasque souple comporte un premier disque (48A, 64A) et un premier ensemble de dents (48B, 64B) dirigées selon ledit axe longitudinal et destiné à coopérer avec un second ensemble de dents (50B, 70B) d'un second disque (50, 70) non soumis au couple de torsion, les dents de ces deux ensembles étant imbriquées les unes dans les autres mais ne se touchant pas et au moins un capteur (54A, 54B ; 72A, 72B) solidaire d'une partie fixe (56, 74) de ladite turbomachine étant placé en regard de ces deux ensembles de dents afin de déterminer par une mesure de décalage angulaire résultant de la déformation dudit premier disque sous le chargement dû au couple de torsion, une valeur du couple de torsion transmis par ledit arbre d'entraînement (28A). 2. Arbre d'entrainement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier disque a la forme d'une roue ajourée dont des rayons (58) reliant un moyeu (60) à une jante (62) présentent des épaisseurs variables allant croissant du moyeu à la jante, de façon à éviter des pics de contrainte et permettre une déformation maximum. 3. Arbre d'entraînement selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits rayons s'enroulent autour dudit moyeu dans le sens de rotation dudit arbre tout en laissant entre eux des espaces suffisants pour le passage des dents dudit second disque. 4. Arbre d'entrainement selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit second disque a la forme d'une roue ajourée dont des rayons reliant un moyeu à une jante s'enroulent autour dudit moyeu dans un sens de rotation opposé à celui desdits rayons dudit premier disque. 301 7 6 5 7 12 5. Arbre d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits premier et second ensembles de dents comportent chacun entre 4 et 6 dents. 5 6. Arbre d'entrainement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite liaison flexible est l'Une des liaisons flexibles (46, 48) montées de part - et d'autre d'un réducteur épicycloïdal (30) de ladite turbomachine. 10 7. Arbre d'entrainement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'espacement entre chacune desdites dents dudit premier disque est non régulier pour permettre au signal reçu par ledit au moins un capteur de se relaxer suffisamment longtemps avant la détection 15 d'une dent suivante. 8. Arbre d'entrainement selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites dents dudit second disque sont placées à 5/9 de l'angle entre deux dents dudit premier disque. 20 9. Dispositif de mesure de couple de torsion dans un arbre d'entrainement de turbomachine apte à transmettre un couple de torsion autour d'un axe longitudinal (12), caractérisé en ce qu'un flasque souple (48, 64) d'une liaison flexible (44, 46) montée à une extrémité dudit arbre pour 25 compenser des éventuels désalignements, comporte un premier disque (48A, 64A) s'étendant radialement et un premier ensemble de dents (48B, 64B) dirigées selon ledit axe longitudinal et destiné à coopérer avec un second ensemble de dents (50B, 70B) d'un second disque (50, 70) non soumis au couple de torsion, les dents de ces deux ensembles étant 30 imbriquées les unes dans les autres mais ne se touchant pas et au moins un capteur (54A, 54B ; 72A, 72B) solidaire d'une partie fixe (56, 74) de ladite turbomachine étant placé en regard de ces deux ensembles de dents afin de déterminer par une mesure de décalage angulaire résultant de la déformation dudit premier disque sous le chargement dû au couple de torsion, une valeur du couple de torsion transmis par ledit arbre d'entrainement (28A). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit premier disque a la forme d'une roue ajourée dont des rayons (58) reliant un moyeu (60) à une jante (62) présentent des épaisseurs variables allant croisant du moyeu à la jante, de façon à éviter des pics de contrainte et permettre une déformation maximum. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits rayons s'enroulent autour dudit moyeu dans le sens de rotation dudit arbre tout en laissant entre eux des espaces suffisants pour le passage des dents dudit second disque. 12. Turbomachine comportant un dispositif de mesure de couple de torsion selon l'une quelconque des revendications 9 à 11.