Brevet FR3014196A1 — publié le 20150605

Domaine de l'invention La présente invention a trait aux dispositifs pour mesurer le couple transmis par un arbre d'un moteur, tel par exemple un arbre d'une turbomachine d'un aéronef. Etat de l'art La mesure de couple sur les arbres de puissance dans une turbomachine est un paramètre très important pour la régulation, la protection et la conception du moteur, en particulier pour ce qui concerne les turbopropulseurs. Selon une technique connue, la détermination du couple s'appuie sur une mesure de la déformation en torsion de l'arbre, car celle-ci est fonction du couple transmis. La présente invention vise un dispositif se rapportant à la mesure de la contrainte en torsion de l'arbre. Ce type de mesure est communément 1 effectué à l'aide de roues phoniques imbriquées sur lesquelles on mesure le déphasage à l'aide d'une sonde fixe. Les roues phoniques sont chacune solidaires de l'arbre en des points distants l'une de l'autre, et le déphasage entre des repères angulaires portés par les roues permet de déterminer la déformation en torsion de l'arbre entre ces deux points. Par exemple les demandes de brevet WO 2009/141261 ou WO 2011/144874 aux noms respectifs de Turbomeca et de Snecma décrivent des méthodes et des dispositifs mettant en oeuvre une telle technique. Cette solution est précise, peu sensible aux bruits et perturbations extérieurs et fiable. Elle reste cependant sensible à l'installation dans le moteur, et également aux variations d'entrefer. En effet la technique utilisant des roues phoniques requiert des entrefers réduits et qui varient peu au cours du fonctionnement. Lors de la conception et la mise au point de nouveaux moteurs, la solution se fondant sur la mise en place de roues phoniques imbriquées peut se révéler inappropriée en raison des variations d'entrefer entre le bord du capteur et la roue phonique qui sont susceptibles de survenir dans le moteur. C'est le cas par exemple lorsque cette variation d'entrefer viendrait à être générée par des balourds ou des charges avion. Lorsque les études sur le moteur conduisent à une estimation de consommation de jeu très importante, on s'oriente vers d'autres techniques. La présente invention vise un dispositif mettant en oeuvre des jauges de contrainte à ondes acoustiques de surface. Cette technique est connue en elle-même. Les dispositifs à ondes acoustiques de surface encore appelés dispositifs SAW, acronyme anglo-saxon pour Surface Acoustic Wave sont utilisés pour réaliser des systèmes d'interrogation à distance et s'apparentent à de petits systèmes radar. Ils comprennent généralement un système d'interrogation comportant des moyens d'émission/réception d'ondes radiofréquence associés à une électronique de traitement de données et au moins, un transpondeur ou jauge SAW à ondes acoustiques de surface. Voir la figure 1. Le principe de fonctionnement est le suivant: le système d'interrogation envoie un signal d'interrogation vers la jauge SAW; la jauge SAW capte le signal d'interrogation, le convole avec sa réponse impulsionnelle propre et réémet un écho ainsi traité vers le système d'interrogation; le récepteur du système d'interrogation détecte, en dehors de la plage temporelle d'émission du signal d'interrogation, tout ou partie de l'écho de la jauge SAW et extrait de la réponse reçue l'information codée par le transpondeur qui est ensuite traitée par l'électronique de traitement. Un dispositif SAW comprend par exemple comme indiqué sur la figure 1: un système d'interrogation 100; au moins, une jauge 110r comportant une antenne 111, un transducteur 113 à peigne d'électrodes interdigitées et une ligne à retard connecté à l'antenne. Le système d'interrogation 100 envoie une impulsion radiofréquence de faible largeur temporelle. L'antenne de la jauge capte le signal radiofréquence. Le transducteur transforme le signal radiofréquence en impulsion acoustique. Un ou plusieurs réflecteurs acoustiques réfléchissent l'impulsion en une pluralité d'échos. Le transducteur transforme cette série d'échos acoustiques en une impulsion radiofréquence réémise par l'antenne. Ces dispositifs permettent de mesurer la torsion d'arbre par l'excitation d'un élément piézoélectrique 115 fixé à l'arbre, dont la fréquence de résonnance dépend de son étirement. La fréquence de résonnance est transmise à l'électronique fixe via une antenne tournante. L'utilisation de jauges SAW présente a priori plusieurs avantages - La mesure est très peu sensible aux variations de distances radiales entre pièces fixes et tournantes. La distance acceptable dépend du milieu, de la conception de la jauge et de l'électronique, mais dans de bonnes conditions, celle-ci est de plusieurs mètres - La mesure est très peu sensible à l'installation sur moteur en général, ce qui en facilite la calibration. L'installation désigne ici le positionnement définitif des pièces, inconnu avant le montage, lié aux tolérances de montage. L'agencement exact des différentes pièces du système de mesure est susceptible de perturber fortement les performances de mesures, ce que l'on appelle des effets de bords de l'intégration dans le moteur. - Les jauges SAW par leur principe de fonctionnement permettent de mesurer à la fois la température et la torsion d'un arbre ; ceci constitue un avantage supplémentaire dans la mesure où la connaissance de la température permet de corriger l'effet de celle-ci sur le module d'Young de l'arbre. - Pour un arbre ayant un fort gradient de température sur sa longueur, il faut prendre en compte la moyenne intégrale de sa température sur sa longueur afin d'en estimer le coefficient de torsion. Hors, la mesure SAW se fait sur une portion très réduite de l'arbre. En un point particulier, il n'y a pas de gradient de température. Le présent déposant s'est fixé comme objectif l'intégration de jauges SAW dans un environnement qui lui est peu favorable. En particulier les difficultés suivantes doivent être surmontées. - La jauge doit être fixée sur une surface plate, ce qui nécessite l'usinage d'un méplat sur l'arbre. - La jauge doit être protégée des agressions extérieures : huile, particules, etc. En général, un second substrat piézoélectrique est collé sur le dessus de la jauge, mais cela diminue sa sensibilité. - L'expérience montre que l'intégration d'une antenne tournante sur l'arbre est peu robuste. - Le lien entre l'élément piézoélectrique et l'antenne est fragile et peu robuste. - Le collage de l'élément piézoélectrique a une faible durée de vie, notamment en raison du fait que la colle travaille en extension lors de la centrifugation radiale de l'élément piézoélectrique. - L'arbre d'une turbomachine agit comme un parafoudre : lors d'un impact d'éclair, tout élément collé à l'arbre subit une importante décharge électrostatique susceptible de l'endommager. Exposé de l'invention La présente invention permet de résoudre ces difficultés. Le dispositif de mesure conforme à l'invention, apte à mesurer les contraintes en torsion d'un arbre rotatif est caractérisé par le fait qu'il comprend un élément tubulaire, au moins une jauge de contrainte à ondes acoustiques, ladite jauge étant fixée à la paroi de l'élément tubulaire, et une antenne de transmission de signal électrique reliée à la jauge, le dit élément tubulaire étant agencé pour être monté concentriquement sur l'arbre objet de la mesure et comprenant deux éléments de fixation à l'arbre distants axialement l'un de l'autre. Selon un mode de réalisation avantageux, au moins l'un des éléments de fixation est à friction. Cet élément de fixation présente l'avantage d'éviter tout effet d'hystérésis sur la mesure car le contact par friction assure un maintien permanent sans jeu de fonctionnement. Plus particulièrement, l'élément de fixation par friction comprend une surface de contact perpendiculaire à l'axe de l'élément tubulaire. Selon un autre mode de réalisation, au moins l'un des éléments de fixation comporte des dents agencées pour coopérer avec des dents de forme complémentaire sur l'arbre. Ce mode de réalisation présente l'avantage de rendre le montage sur l'arbre plus aisé dans la mesure où il ne nécessite pas l'emploi d'un outil destiné à maintenir l'élément tubulaire en place pendant le serrage, le but étant d'éviter de créer des contraintes parasites dans la zone de friction. Par ailleurs il garantit le maintien de la torsion de la structure même en cas d'élongation ou de rétrécissement de l'arbre car les dents peuvent glisser dans les crabots dans le sens axial sans remettre en cause la torsion radiale. Conformément à une autre caractéristique, la jauge de contrainte à ondes acoustiques est fixée à la paroi interne de l'élément tubulaire. La fixation étant de préférence par collage, la liaison entre la jauge et son support est alors soumise uniquement à des efforts de compression qui garantissent une meilleure tenue dans le temps. Conformément à un mode de réalisation, l'élément tubulaire est au moins en partie en matériau non conducteur électriquement, l'antenne étant notamment au moins en partie noyée dans le matériau. Dans la mesure où l'arbre d'une turbomachine aéronautique agit comme un parafoudre, l'emploi d'un matériau non conducteur permet d'éviter les décharges électromagnétiques susceptibles de l'endommager. Conformément à une autre caractéristique, l'élément tubulaire présente des lumières de réduction de la raideur en torsion. Le but est de prélever aussi peu d'énergie possible sur l'arbre pour tordre l'élément tubulaire. L'invention porte également sur un arbre rotatif de machine, notamment de turbomachine, comportant un dispositif de mesure de sa déformation en torsion conforme à l'invention. Plus précisément, l'arbre rotatif comportant une bride radiale, le dispositif étant maintenu par une extrémité à l'arbre en étant en appui axial contre la bride. Présentation 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 : La figure 1 montre un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'une jauge de contrainte à ondes acoustiques ; La figure 2 montre un arbre de turbomachine équipé d'un dispositif de mesure conforme à l'invention, vu en perspective ; La figure 3 montre l'arbre de la figure 2 vu en coupe transversale ; La figure 4 l'élément tubulaire du dispositif de mesure conforme à l'invention, seul ; La figure 5 montre une variante de réalisation de l'élément tubulaire ; La figure 6 est une représentation schématique du dispositif de mesure monté sur un arbre tournant ; La figure 7 montre le dispositif de la figure 6 avec plusieurs jauges SAW. Description plus détaillée de l'invention La figure 2 montre en perspective un exemple d'arbre de transmission de puissance dans une turbomachine. L'arbre 1, ici, comprend un pignon 2 à une extrémité et est relié à son autre extrémité, au moyen d'une liaison à bride 5, à un pignon 3 qui permet la connexion à un organe entraîné par l'arbre, par exemple un réducteur de vitesse. Afin de pouvoir connaître le couple transmis par l'arbre 1, il est connu de mesurer les contraintes en torsion de celui-ci. Cette mesure est effectuée, dans le cadre de l'invention, au moyen de jauges de contrainte à ondes acoustiques de surface fonctionnant selon le principe décrit dans le préambule de la présente demande en relation avec la figure 1. Ces jauges seront désignées par la suite jauge SAW. Le dispositif incorporant les jauges est désigné par la référence 10 sur les figures. Ce type de jauge devant être monté sur une surface de contact plane, en raison de sa structure, il est apparu intéressant de les monter sur l'arbre par l'intermédiaire d'un support plutôt que de créer les logements accueillant les jauges directement sur l'arbre. Ce support 12 est, conformément à l'invention, un élément tubulaire que l'on voit en position sur les figures 2 et 3 et seul sur la figure 4. Cet élément tubulaire est de diamètre supérieur à celui de l'arbre 1 sur lequel il est monté, les deux étant concentriques. Il est agencé, selon le mode de réalisation illustré dans la présente demande, pour être solidarisé à l'arbre par friction. Dans ce but, il présente deux éléments de fixation constitués de deux portions de surface annulaires perpendiculaires à l'axe, respectivement amont 121 et aval 123, aptes à venir en contact avec des surfaces correspondantes sur l'arbre. Une première surface de contact 51 est formée d'une piste ménagée sur la bride 5 et la seconde surface de contact est celle d'un écrou 7, engagé sur l'arbre et sur lequel il est vissé. Le support 12 est ajouré et comprend des lumières 127 usinées dans la paroi de manière à réduire sa raideur en torsion autour de son axe. L'étendue des lumières 127 ainsi que l'épaisseur de la paroi du support 12 sont déterminées notamment par la résistance mécanique et la raideur que l'on souhaite lui conférer. Le support 12 comprend des logements 125 de réception des jauges SAW 20, voir le schéma de la figure 6. Les jauges 20 sont présentes sur le montage de la figure 3 mais ne sont pas visibles sur celle-ci. Ces logements 125 sont prévus de préférence sur la face interne du support 12 de manière à ce que la couche de liaison, une pellicule de colle 21 notamment, ne soit soumise qu'à des efforts de compression pendant le fonctionnement de la machine de manière à éviter la séparation. Le dispositif 10 est monté de façon simple. Il suffit de le glisser le long de l'arbre jusqu'à ce qu'il vienne en appui par sa surface de contact 123 avec la surface d'appui 51 de la bride 5. Il est maintenu par un outil approprié dans cette position. L'écrou 7 est engagé ensuite sur l'arbre et est vissé de manière à ce que le support 12 soit maintenu fermement sur l'arbre par la contrainte axiale imposée par l'écrou de serrage. L'outil peut alors être démonté. La contrainte axiale crée une zone de friction entre le support et la bride verticale flexible sur l'arbre. La friction est suffisamment forte pour assurer le maintien du support sur l'arbre lors de sa torsion. De façon analogue, du côté de l'écrou, la friction de l'écrou sur le support le rend solidaire de l'arbre. Les efforts de friction engendrés par le serrage empêchent tout glissement en rotation du support. Sous l'effet d'un couple, l'arbre de puissance subit une déformation en torsion entre la bride et l'écrou. Le support subit une déformation en torsion représentative de celle de l'arbre. Cette déformation se traduit par l'apparition de contraintes de cisaillement dans la structure de support des jauges. Les jauges de contrainte, fixées à la structure subissent alors une contrainte qu'il est possible de mesurer. Cette réalisation présente plusieurs avantages : - Simplicité du montage ; il n'y pas d'opération de collage à réaliser sur l'arbre. - Les jauges sont collées dans leur logement dont le fond est plat. On évite la réalisation de logements avec méplats sur l'arbre. Un méplat sur l'arbre entraînerait une concentration de contraintes qui fragiliserait l'arbre. - La colle qui fixe les jauges travaille en compression plutôt qu'en traction lors de la centrifugation de l'élément piézo-résistif avec la rotation de l'arbre : la tenue du collage en est meilleure dans le temps. - Il n'y a aucune hystérésis sur la mesure : en effet, le contact par friction assure un maintien permanent, sans jeu de fonctionnement. On voit, sur les figures 6 et 7, le dispositif de mesure complet avec les jauges SAW 20 dans leur logement respectif 125 et ils y sont retenus par l'interposition d'une pellicule de colle entre la jauge et la paroi du support 12. Chaque jauge est reliée électriquement à une antenne 22. Plusieurs jauges sont collées dans la structure. Cela permet d'avoir une redondance sur ces équipements très peu accessibles pour de la maintenance. Selon le matériau utilisé, l'antenne tournante peut être coulée dans la structure. Ainsi, l'intégration de l'antenne se fait automatiquement en même temps que la structure de support des jauges. L'intérêt réside également dans le fait que la liaison électrique entre la sonde et l'antenne est elle aussi coulée dans la structure de support des jauges. L'ensemble devient alors particulièrement robuste aux agressions externes. Dans l'exemple présenté, deux antennes hélicoïdales sont coulées dans la structure tubulaire, en laissant dépasser les bords de chaque spire. D'autres formes d'antennes sont bien sûr envisageables, notamment un simple fil. Le fait d'intégrer deux antennes augmente la fiabilité et la disponibilité de l'ensemble. Il faut cependant noter que l'intégration de plusieurs antennes n'est pas indispensable, puisqu'une même antenne peut servir à l'interrogation de plusieurs jauges à la fois. L'antenne peut aussi être collée. Le vissage est encore une solution, mais dans ce cas, il faut prévoir une isolation entre l'antenne et son support. Il est donc avantageux que l'antenne soit directement intégrée dans le support de la jauge. Dans le choix de l'antenne sont à prendre en compte : La forme de l'antenne et la permittivité du matériau. La forme est adaptée à la longueur d'onde que l'on souhaite transmettre et la distance entre émetteur et récepteur. Par exemple les tourbillons sur l'antenne favorisent l'aspect de transmission électromagnétique. En contrepartie une plus grande puissance électrique est nécessaire dans l'antenne. L'antenne étant intégrée dans la structure tubulaire, une attention particulière doit être portée sur la permittivité du matériau, afin d'éviter que celui-ci n'atténue trop le signal à transmettre. Un équilibre est trouvé entre la fréquence des signaux à transmettre, et les propriétés physiques du matériau. De façon générale, plus la fréquence à transmettre est élevée, moins le signal est atténué par un milieu donné. Une solution consiste à laisser dépasser le bord de chaque « spire » d' antenne. Sur la figure 5, on a représenté une variante de réalisation du support. Il diffère par le fait qu'on ajoute des dents anti-rotation 129 sur l'élément tubulaire support pour en assurer un meilleur maintien sur l'arbre. La fixation radiale du support sur l'arbre est faite à l'aide d'un couple dents sur la structure, crabots sur l'arbre, le maintien axial étant également assuré par l'écrou 7 de serrage. L'avantage de cette variante est qu'aucun outil n'est nécessaire pour maintenir le dispositif pendant le serrage de l'écrou. En effet, en l'absence de moyen d'immobilisation en rotation tel que dans le premier exemple, il est nécessaire de maintenir le dispositif immobile pendant le serrage afin de ne pas y introduire un biais (c'est-à-dire un décalage à zéro) de contrainte. Dans la présente variante, le maintien du dispositif est fait automatiquement par le système dents / crabots. Le choix entre l'une ou l'autre des solutions peut être commandé par la nécessité d'éviter éventuellement l'introduction d'une hystérésis sur la mesure à chaque changement de signe du gradient de couple. Cette hystérésis est liée au jeu mécanique intrinsèque à un système de dents / crabots. En outre la fabrication de l'arbre est plus compliquée par l'usinage des crabots. L'élément tubulaire est conformément à un mode de réalisation en matériau non conducteur, composite ou en résine. Ce type de matériau permet d'isoler la jauge et son antenne de l'arbre de transmission. Lors d'un impact foudre, la jauge et son antenne sont ainsi protégés. Selon un autre mode de réalisation l'élément tubulaire est en métal, les propriétés mécaniques et la tenue en fatigue étant alors privilégiées. Dans ce cas, le dispositif est de préférence associé à un système de limitation de charges électrostatique pour éviter les décharges électriques pouvant endommager la j auge. Un critère de choix du matériau tient compte des propriétés de tenue en fatigue du matériau sous des contraintes de déformation élastiques. En général, les plastiques sont à éviter pour cette raison. 15 Divers autres modes de réalisation sont envisageables sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple l'élément tubulaire peut ne pas présenter de lumière. Cela permet d'avoir une cavité fermée, protégée de l'environnement abrasif ou corrosif, problématique pour les jauges. 10 REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure, apte à mesurer les contraintes en torsion d'un arbre rotatif, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément tubulaire (12) formant support, au moins une jauge de contrainte à ondes acoustiques (20), ladite jauge étant fixée à la paroi de l'élément tubulaire (12) et une antenne de transmission de signal reliée à la jauge, le dit élément tubulaire (12) étant agencé pour être monté concentriquement sur l'arbre (1) objet de la mesure et comprenant deux éléments (121, 123) de fixation à l'arbre distants axialement l'un de l'autre. 2. Dispositif selon la revendication précédente dont au moins l'un des éléments (121, 123) de fixation est à friction. 3. Dispositif selon la revendication précédente dont l'élément de fixation par friction comprend une surface de contact perpendiculaire à l'axe de l'élément tubulaire. (12) 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dont au moins l'un des éléments de fixation comporte des dents (129) agencées pour coopérer avec des dents de forme complémentaire sur l'arbre. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dont la jauge de contrainte (20) est fixée notamment par collage à la paroi interne de l'élément tubulaire (12). 6. Dispositif selon la revendication précédente dont l'élément tubulaire est au moins en partie en matériau non conducteur électriquement, l'antenne étant notamment au moins partiellement noyée dans le matériau de l'élément tubulaire. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dont l'élément tubulaire présente des lumières (127) de réduction de la raideur en torsion. 8. Arbre rotatif de machine, notamment de turbomachine, comportant un dispositif de mesure des contraintes en torsion selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Arbre rotatif selon la revendication précédente, comportant une bride radiale, le dispositif étant maintenu par une extrémité à l'arbre en étant en appui axial contre la bride. 10. Arbre rotatif selon l'une des revendications 8 et 9 dont le dispositif est immobilisé en rotation à une extrémité par une liaison à crabot.