Brevet FR3019293A1 — publié le 20151002

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de mesure de la cinématique d'au moins un rotor de moteur, en particulier de turbomachine. ETAT DE L'ART Les essais d'une turbomachine se font soit en banc, soit à l'air libre et peuvent être partiels ou non, c'est-à-dire qu'ils peuvent impliquer la turbomachine dans son ensemble ou seulement une partie de celle-ci, telle qu'un de ses modules. Un des objectifs des essais est de collecter des informations sur le comportement réel de la turbomachine ou d'un de ses modules. Ainsi, on cherche à acquérir les différents paramètres physiques pertinents pour décrire le fonctionnement de la turbomachine. Les technologies et techniques d'instrumentation sont très diverses pour mesurer les grandeurs physiques qui régissent une turbomachine. Cependant, il réside encore un certain nombre de difficultés pour observer le comportement mécanique de pièces moteur fondamentales. La dynamique d'ensemble a notamment pour principaux objectifs d'étudier les phénomènes dynamiques qui conditionnent l'architecture d'une turbomachine pour définir les charges applicables à chacune de ses parties. Parmi les phénomènes auxquels s'intéresse particulièrement le métier de la dynamique d'ensemble, il y a l'étude de la cinématique des rotors basse et haute pression. La cinématique des rotors comprend les déplacements des rotors dans l'espace, leurs vitesses de rotation, etc. Lors de l'apparition d'un balourd important du fait de la perte d'une aube de soufflante (de type FBO, acronyme de Fan Blade Out), l'excentricité du rotor basse pression engendre la plupart des charges qui transitent dans le stator. Ces charges doivent donc être prises en compte pour le dimensionnement du stator. L'excentricité du rotor conditionne donc la masse globale de l'architecture de la turbomachine. Plus précisément, pour les architectures moteur impliquant une destruction volontaire d'un compresseur basse pression par flambage lors d'une perte d'aube, il est difficile aujourd'hui de connaître la cinématique précise de ce dernier. Or, un paramètre important comme la vitesse d'incursion radiale d'un compresseur basse pression lors d'un excentrement du rotor en vis-à-vis conditionne les instants de flambage et les charges de flambage des redresseurs ainsi que des roues mobiles. En conséquence, cela détermine les charges qui transitent dans le carter inter-veines et le carter intermédiaire : plus le compresseur basse pression flambe tard, plus de charges transitent dans les carters, et plus la masse du stator augmente pour les tenir. Actuellement, la mauvaise connaissance de la cinématique du compresseur basse pression, faute de moyens de mesure efficaces pour la mesurer, mène à un certain nombre de conservatismes lors de la conception d'une turbomachine. Ces conservatismes engendrent une surestimation des charges de flambage, donc un surdimensionnement local du stator et enfin une augmentation de masse de la turbomachine. D'autres phénomènes peuvent induire un balourd comme lors de tests d'endurance du moteur. Dans ce cas, des balourds peuvent apparaître du fait de l'usure des pièces. Le balourd lié à une perte d'aube de soufflante est toutefois le plus dimensionnant pour le stator d'une turbomachine. La bonne compréhension et la bonne connaissance du comportement dynamique d'un rotor de turbomachine lors d'une perte d'aube est donc un enjeu très important dans la conception d'un moteur. Aujourd'hui, on ne dispose que de solutions techniques très limitées pour mesurer la cinématique d'un rotor en essai avec comme seul recourt les modèles numériques pour la simuler sans recalage à des données réelles. De plus, la présence d'un stator occulte une vue directe sur les parties tournantes et a fortiori la mesure directe du déplacement de la ligne d'arbre dans un ou plusieurs plans. Un stator, muni d'équipements électroniques (comme le FADEC, acronyme de Full Authority Digital Engine Control), rend également difficile la mise en place d'un système d'acquisition filaire ou l'usage de capteurs magnétiques, impliquant la mise en oeuvre d'un champ magnétique. La présente invention propose une solution à ces problèmes, pour mesurer efficacement en essai la cinématique d'un rotor avec la présence d'un stator occultant, en particulier d'une turbomachine. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention propose un procédé de mesure de la cinématique d'au moins un rotor de moteur, en particulier de turbomachine, caractérisé en ce que la mesure est réalisée par scintigraphie par rayonnement gamma, le procédé comprenant les étapes consistant à : a) équiper le rotor de traceurs radioactifs, et b) lors du fonctionnement du moteur, détecter les rayonnements gamma 15 émis par lesdits traceurs au moyen d'au moins une caméra gamma. L'invention propose ainsi de mesurer notamment les déplacements du rotor par scintigraphie par rayonnement gamma. Cette technique repose sur la détection d'isotopes radioactifs, appelés traceurs radioactifs, dont les rayonnements gamma peuvent être captés et visualisés par une ou 20 plusieurs caméras gamma. La particularité des rayonnements gamma, a contrario des rayonnements alpha et béta, est leur forte aptitude à pénétrer d'importantes épaisseurs de métal telles que celles caractérisant les carters et la nacelle d'une turbomachine ou d'un ensemble propulsif. La présente invention peut s'appliquer de manière générale à tout 25 type de moteur, et à toute mesure cinématique d'une partie tournante du moteur pouvant être visuellement occultée par une partie fixe ou tournante (exemple d'un rotor haute pression occultant un rotor basse pression). La technologie proposée pour mesurer la cinématique d'au moins un rotor de moteur est particulièrement avantageuse car elle est peu 30 encombrante, ne présente pas les problèmes inhérents aux technologies antérieures d'acquisition filaires, et permet de s'affranchir du problème de la présence d'un stator (occultant) englobant le rotor. Les traceurs radioactifs ne sont en effet pas reliés à un système d'acquisition, et sont résistants aux chocs et aux accélérations et décélérations (plusieurs milliers de tours par minute). Le procédé selon l'invention peut par exemple être utilisé lors du développement d'un moteur, en particulier de turbomachine. La bonne connaissance du déplacement relatif dans le temps entre des rotors basse et haute pression du moteur permettrait par exemple de consolider l'apprentissage des phénomènes de contacts inter-arbres (étendue de contact, temps de contact effectif, etc.) et d'échauffement lors d'une perte d'aube. Ces évènements peuvent être l'objet d'évènements surveillés pour le dimensionnement de l'arbre de turbine (simulés aujourd'hui par calcul seulement). Elle permettrait également de surveiller les jeux inter-arbres en fonctionnement normal afin de contrôler les sections utiles à la ventilation de l'espace inter-arbres. La mesure absolue de la déflexion radiale de la ligne d'arbre dans toutes les directions donnerait également des précisions sur la flèche temporelle de flexion que subit l'arbre basse pression lors d'une perte d'aube de soufflante. Cette flèche conditionne parmi d'autres facteurs les dimensions des jeux inter-arbres. Selon un mode de réalisation de l'invention, à l'étape a), le rotor est équipé d'au moins un anneau de support de plusieurs traceurs radioactifs, cet anneau s'étendant autour de l'axe de rotation du rotor et étant solidaire en rotation du rotor. Un rotor peut être équipé de plusieurs de ces anneaux, qui sont répartis sur toute l'étendue de la ligne du rotor. Ceci permet par exemple de mesurer les déformations d'un rotor de turbomachine, sur la plage de décélération lors d'une perte d'aube de soufflante. Les traceurs radioactifs de l'anneau ou de chaque anneau sont de préférence régulièrement répartis autour de cet anneau. Ceci permet de limiter le risque d'apparition d'un balourd en fonctionnement. L'anneau ou chaque anneau peut comprendre au moins deux, et par exemple quatre, traceurs radioactifs. Il peut y avoir autant de traceurs que l'on souhaite qui sont de préférence régulièrement répartis. Il faut trouver un compromis entre le coût du dispositif et la précision des mesures. L'anneau ou chaque anneau comporte de préférence un nombre pair de traceurs pour réduire les risques d'apparition d'un balourd. Ces traceurs sont de préférence diamétralement opposés deux à deux. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, l'anneau ou chaque anneau comprend une couche annulaire externe métallique et une couche annulaire interne en matériau élastiquement déformable. La couche interne permet de prévenir tout mouvement relatif en rotation et axial entre le rotor et l'anneau, en particulier lors d'une forte décélération du régime moteur qui intervient par exemple après une perte d'aube de soufflante. Ce type d'anneau est relativement léger et peu encombrant. Il peut avoir une dimension axiale de l'ordre de quelques millimètres et une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres. Avantageusement, la couche métallique est fendue ou ouverte à un point de sa circonférence et comprend des moyens de fermeture au niveau de ses extrémités circonférentielles libres. La couche métallique peut comprendre une surépaisseur diamétralement opposée aux moyens de fermeture. Avantageusement, cette surépaisseur est dimensionnée de façon à ce que sa masse soit sensiblement égale à celle des moyens de fermeture, de façon à ce que la surépaisseur agisse comme une contre-masse destinée à limiter le risque d'apparition d'un balourd en utilisation. Avantageusement, la couche métallique définit des logements de réception des traceurs radioactifs. La couche interne s'étend de préférence entre le rotor et les traceurs radioactifs de façon à contraindre ces derniers dans les logements de la couche métallique. A l'étape b), les rayonnements gamma peuvent être détectés au 30 moyen de deux caméras gamma, qui sont par exemple orientées à 90° l'une de l'autre. La présente invention concerne également une installation de mise en oeuvre du procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de support d'un moteur, en particulier de turbomachine, tels qu'un banc d'essai, au moins une caméra gamma et de préférence deux caméras gamma orientées dans des plans respectivement sensiblement horizontal et vertical, et des traceurs radioactifs montés ou destinés à être montés sur un rotor de la turbomachine. Les deux caméras gamma permettent de suivre le déplacement du point médian de la raie gamma dans le plan vertical et horizontal et d'obtenir ainsi deux composantes d'un vecteur de déplacement (une première composante dans le plan vertical et une deuxième composante dans le plan horizontal). La disposition des deux plans de caméra peut nécessiter de conserver un angle de 90° entre les !Jans d'observation afin d'être en mesure de recombiner facilement les deux composantes et de reconstituer efficacement la cinématique du rotor dans l'espace en fonction du temps (module des deux composantes). DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages 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 : - les figures 1A et 1B sont des vues schématiques en perspective d'une installation de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, respectivement de face et de côté, - la figure 2 est une vue très schématique de face d'un rotor équipé d'un anneau de support de traceurs radioactifs, et - les figures 3 et 4 sont des demies vues schématiques en coupe axiale de parties d'une turbomachine, et illustrent des emplacements de montage des anneaux de support. DESCRIPTION DETAILLEE On se réfère d'abord aux figures 1A et 1B qui représentent une installation 10 de mise en oeuvre du procédé selon l'invention de mesure de la cinématique d'un rotor de moteur, qui est ici un moteur d'ensemble propulsif 12. De façon classique, un ensemble propulsif comprend un moteur 14 de turbomachine qui est entouré par une nacelle 16. Le moteur 14 comprend, d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des flux, une soufflante 18, au moins un compresseur, une chambre de combustion, au moins une turbine, et une tuyère 20 d'éjection des gaz de combustion. L'ensemble propulsif 12 est destiné à être relié à un élément structural d'un aéronef, tel qu'une aile ou son fuselage, par l'intermédiaire d'un pylône 22 relié rigidement au moteur 14. Dans le cas d'une turbomachine ou d'un turboréacteur à double flux, le moteur 14 définit une première veine annulaire d'écoulement d'un flux primaire ou flux chaud, et la nacelle 16 définit autour du moteur 14 une veine annulaire d'écoulement d'un flux secondaire ou flux froid. Le flux d'air pénétrant dans l'entrée d'air de la nacelle 16 se divise en aval de la soufflante 18 pour former les flux d'air primaire et secondaire précités. Le moteur 14 comprend au moins un corps tournant qui comprend un arbre de liaison d'un rotor de turbine à un rotor de compresseur. Dans le cas d'une turbomachine multi-corps, le moteur comprend un corps basse pression (BP) qui comprend un arbre BP de liaison d'un rotor de turbine BP à un rotor de compresseur BP, ainsi qu'un corps haute pression (HP) qui comprend un arbre HP de liaison d'un rotor de turbine HP à un rotor de compresseur HP. Comme expliqué dans ce qui précède, l'invention permet de mesurer la cinématique d'un rotor du moteur, tel que son corps BP. Dans les technologies antérieures, le corps BP d'un moteur de turbomachine est considéré comme occulté par le stator et en partie par le corps HP. L'invention permet de résoudre ce problème grâce à la mesure de la cinématique du rotor par scintigraphie par rayonnement gamma, les rayonnements gamma étant aptes à pénétrer d'importantes épaisseurs de métal telles que celles du corps HP, des carters de stator et de la nacelle de l'ensemble propulsif 12. L'installation 10 de mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend ici des moyens 24 de support de l'ensemble propulsif 12, qui se présentent ici sous la forme d'un banc d'essai. Ce banc comportant ici des moyens de fixation au pylône 22 de l'ensemble propulsif 12, pour la suspension de cet ensemble propulsif. L'installation 10 comprend en outre au moins une caméra gamma 30 et des traceurs radioactifs (non visibles dans les figures 1A et 1B) montés sur le rotor du moteur 14, c'est-à-dire sur le corps BP dans l'exemple précité. Dans l'exemple représenté, l'installation 10 comprend deux caméras gamma 30, qui sont orientées à 90° l'une par rapport à l'autre. Une première caméra gamma 30 (latérale) est disposée dans un plan sensiblement horizontal sur un côté de l'ensemble propulsif 12, c'est-à-dire à 3h ou 9h par analogie avec le cadran d'une horloge, et une seconde caméra gamma 30 (inférieure) est disposée dans un plan sensiblement vertical sous l'ensemble propulsif 12, c'est-à-dire à 6h. De façon connue, une caméra gamma 30 est une caméra à scintillation qui comprend notamment un écran à base de matériau scintillateur disposé entre un collimateur et des photomultiplicateurs reliés à un circuit électronique. La caméra 30 latérale est plane, le plan de la caméra étant sensiblement perpendiculaire à un plan horizontal passant par l'axe longitudinal de l'ensemble propulsif 12. Cette caméra latérale permet de mesurer la cinématique du rotor dans un plan sensiblement vertical (plan xoy). La caméra 30 inférieure est également plane, le plan de cette caméra étant sensiblement perpendiculaire à un plan sensiblement vertical passant par l'axe longitudinal de l'ensemble propulsif 12. Cette caméra permet de mesurer la cinématique du rotor dans un plan sensiblement horizontal (plan xoz). Les caméras 30 sont ici fixes et s'étendent de préférence sur une majeure partie de la longueur de l'ensemble propulsif 12. Plus les caméras 30 ont des dimensions importantes et plus elles sont aptes à détecter des rayonnements gamma et donc des déplacements du rotor, car ces rayonnements ne parviennent à l'écran de matériau scintillateur que s'ils sont orientés perpendiculairement à cet écran (sinon ils ne seraient pas transmis par le collimateur). Les deux caméras gamma 30 sont reliées à une unité (non représentée) d'acquisition et de traitement des données émises par leurs circuits électroniques, en vue de la mesure de la cinématique du rotor, et en particulier de la mesure de l'amplitude de ses déplacements. La figure 2 représente un mode de réalisation des moyens permettant d'équiper un rotor de traceurs radioactifs, et les figures 3 et 4 représentent des exemples d'emplacements de montage de ces moyens sur un corps basse pression d'une turbomachine. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, le rotor 40 est équipé d'un ou plusieurs anneaux 42 de support des traceurs radioactifs 44. Chaque anneau 42 s'étend autour de l'axe de rotation du rotor 40 et est monté sur le rotor de façon à être solidaire en rotation de celui-ci. Chaque anneau 42 est ici du type bi-matière et comprend une couche annulaire interne 46 et une couche annulaire externe 48. La couche annulaire interne 46 de l'anneau 42 est montée autour du rotor 40 et est de préférence réalisée en matériau élastiquement déformable, tel qu'en silicone. Elle a par exemple une épaisseur de l'ordre de 1 mm environ. Elle peut être montée sur le rotor 40 par agrandissement de son diamètre, du fait de ses capacités de déformation élastique. La couche annulaire externe 48 de l'anneau 42 est montée autour du rotor 40 et est destinée à s'étendre autour de la couche interne 46. La couche externe 48 est de préférence réalisée en métal. Elle a par exemple une épaisseur de l'ordre de 1 mm environ de sorte que l'épaisseur totale de l'anneau 42 n'excède pas 2mm environ. La couche externe 48 est fendue ou ouverte sur un point de sa circonférence et comprend au niveau de ce point des moyens de fermeture 5 50, par exemple du type Colson®. La couche interne 46 est conformée pour définir des logements 52 du côté de son diamètre intérieur, pour la réception des traceurs radioactifs 44. Les logements 52 comportent des ouvertures qui sont orientées radialement vers l'intérieur. Les traceurs 44 sont donc montés dans ces logements avant le montage de la couche 10 externe 48 sur le rotor 40. Les logements 52 ont des formes et des dimensions proches de celles des traceurs 44. Ils ont par exemple une longueur de quelques millimètres environ, la couche externe 48 et l'anneau 42 ayant une longueur de quelques millimètres environ également. Les traceurs 44 sont régulièrement répartis autour de l'axe de 15 révolution de l'anneau 42. Ils sont au moins au nombre de deux et par exemple au nombre de quatre comme dans le cas représenté. Les moyens de fermeture 50 sont situés au niveau des extrémités circonférentielles libres de la couche externe 48 et sont destinés à coopérer ensemble pour fermer la couche externe 48 et pour maintenir fermement la 20 couche externe sur la couche interne 46. En position de serrage des moyens de fermeture 50, la couche interne 46 est de préférence légèrement comprimée entre la couche externe 48 et le rotor 40. La couche interne 46 permet d'empêcher des mouvements relatifs en rotation entre le rotor 40 et la couche externe 48 et assure également le maintien des 25 traceurs 44 dans les logements de la couche externe 48, les traceurs 44 étant de préférence légèrement contraints entre la couche interne 46 et le fond de leurs logements 52 en position de montage, afin de limiter leurs déplacements en utilisation. La couche externe 48 de l'anneau 42 comprend en outre une 30 surépaisseur 54 qui est diamétralement opposée aux moyens de fermeture 50 et qui est conformée pour que sa masse soit sensiblement identique à celle des moyens de fermeture, afin de limiter le risque d'apparition d'un balourd lors de la rotation du rotor 40 équipé de l'anneau 42. Les figures 3 et 4 montrent des exemples de localisation d'anneaux 42 de support de traceurs radioactifs 44. Dans le cas de la figure 3, le rotor 5 40 du compresseur BP d'une turbomachine est équipé de deux anneaux 42 du type de celui représenté en figure 2, ces anneaux 42 étant chacun montés sur une paroi annulaire 56 de ce rotor 40, cette paroi reliant deux roues 58 consécutives. Dans le cas de la figure 4, l'arbre 60 du compresseur BP (qui relie le rotor du compresseur BP au rotor de la turbine 10 BP) est équipé de deux anneaux 42 du type précité, qui sont disposés au voisinage de paliers 62 de guidage de l'arbre. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure de la cinématique d'au moins un rotor (40) de moteur (14), en particulier de turbomachine, caractérisé en ce que la mesure est réalisée par scintigraphie par rayonnement gamma, le procédé comprenant les étapes consistant à : a) équiper le rotor de traceurs radioactifs (44), et b) lors du fonctionnement du moteur, détecter les rayonnements gamma émis par lesdits traceurs au moyen d'au moins une caméra gamma (30). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à l'étape a), le rotor (40) est équipé d'au moins un anneau (42) de support de plusieurs traceurs radioactifs (44), cet anneau s'étendant autour de l'axe de rotation du rotor et étant solidaire en rotation du rotor. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les traceurs radioactifs (44) de l'anneau (42) ou de chaque anneau sont régulièrement répartis autour de cet anneau. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'anneau (42) ou chaque anneau comprend au moins deux traceurs radioactifs (44). 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'anneau (42) ou chaque anneau comprend une couche annulaire externe (48) métallique et une couche annulaire interne (46) en matériau élastiquement déformable. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche métallique (48) est fendue ou ouverte à un point de sa circonférence et comprend des moyens de fermeture (50) au niveau de ses extrémités circonférentielles libres. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche métallique (48) comprend une surépaisseur (54) diamétralement opposée aux moyens de fermeture (50). 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la couche métallique (48) définit des logements (52) de réception des traceurs radioactifs (44). 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'étape b), les rayonnements gamma sont détectés au moyen de deux caméras gamma (30) qui sont orientées à 90° lime de l'autre. 10. Installation (10) de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (24) de support d'un moteur (14), en particulier de turbomachine, tels qu'un banc d'essai, au moins une caméra gamma (30) et de préférence deux caméras gamma orientées dans des plans respectivement sensiblement horizontal et vertical, et des traceurs radioactifs (44) montés ou destinés à être montés sur un rotor de la turbomachine.15