Brevet FR3017458A1 — publié le 20150814

Domaine de l'invention La présente invention a trait aux dispositifs pour mesurer le couple transmis par un arbre 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 de l'arbre à laquelle il est soumis. Les mesures de couple fondées sur une déformation de l'arbre sont communément effectuées 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'un 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 technique est bien connue et ses inconvénients peuvent être anticipés. Elle est ainsi sensible aux bruits et aux perturbations extérieures ce qui induit une précision moyenne. Elle est aussi sensible à l'installation dans le moteur et aux variations d'entrefer au cours du fonctionnement du moteur qui doivent être réduites. 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 calibration de la mesure de couple est un autre problème qui est susceptible d'être posé. La calibration consiste à établir une loi corrélant la contrainte mesurée par rapport au couple appliqué. Par expérience il est nécessaire de réaliser cette calibration une fois le système de mesure intégré sur le moteur et non sur banc. En effet, on constate en pratique des effets de bord liés à l'intégration du système de mesure dans le moteur. Ils s'expliquent par le fait que la calibration dans le banc est faite avec une configuration spatiale différente de la configuration définitive une fois le système monté sur le moteur : les tolérances de montage et les chaînes de cotes jouent grandement sur la loi de calibration. L'utilisation d'un banc frein en sortie d'arbre est donc la méthode couramment utilisée pour calibrer le système de mesure, le banc frein fournissant une mesure de couple de référence. Sur les moteurs comportant plusieurs hélices, l'utilisation d'un banc frein n'est toutefois pas possible car les moyeux des hélices ne sont pas accessibles quand le moteur est assemblé. Dans une telle éventualité, Il se pose le problème d'étalonner le système de mesure vis-à-vis d'une référence extérieure. L'impossibilité d'utiliser la mesure traditionnelle, ainsi que l'impossibilité de calibrer la mesure ont amené à rechercher un nouveau système de mesure de couple. L'invention a pour premier objet un système de mesure de couple tolérant aux variations d'entrefer. On connaît la mesure de couple par utilisation de jauges de contrainte à ondes acoustiques de surface désignées souvent par l'acronyme anglais SAW pour Surface Accoustic Waves. Une jauge de contrainte SAW comprend un élément piézoélectrique excité par une onde électromagnétique proche de sa fréquence de résonance via une antenne. L'onde électromagnétique se traduit par une onde acoustique de surface dans le matériau. Une fois excité, le matériau entre en résonance et émet une onde en écho. La fréquence de l'onde électromagnétique est lue par une unité de contrôle et permet de retrouver la contrainte appliquée à la jauge. Un mode de mesure mettant en oeuvre des jauges SAW est par exemple décrit dans la demande de brevet FR 2919050 au nom de la société Senseor Le présent demandeur a développé un moyen d'intégration sur l'arbre d'une turbomachine de jauges fonctionnant selon ce principe. Il est décrit dans la demande de brevet FR 1362037 déposé le 02/12/2013. La solution présente l'avantage de voir l'ensemble des constituants nécessaires à la mesure directement intégré à l'arbre. Ils se trouvent ainsi dans leur configuration spatiale définitive avant leur installation dans le moteur. Une calibration effectuée hors moteur est donc peu perturbée par l'installation sur moteur, contrairement au système de mesure par roues phoniques imbriquées notamment. Les effets de bords de l'intégration dans le moteur sont faibles. On désigne par cette expression l'agencement exact des différentes pièces du système de mesure qui est susceptible de perturber fortement les performances de mesure. Cette technique présente cependant l'inconvénient de posséder un faible niveau de maturité. En l'état actuel de son développement, la durée de vie et la robustesse de l'ensemble ne sont pas adaptées à une application aéronautique série. On connaît par ailleurs la technique de mesure de couple par effet magnétostrictif. Cette technique consiste à magnétiser deux tranches d'arbre polarisées dans des sens opposés selon leur direction circonférentielle. Le champ magnétique produit est proportionnel au couple transmis et peut être mesuré par des détecteurs de champ magnétique disposés autour de l'arbre. Un exemple de réalisation est par exemple décrit dans le brevet US 5 052 232. Cette technique présente un niveau de maturité supérieur à celle des jauges SAW. On estime que la durée de vie et la robustesse des moyens mis en oeuvre sont meilleures pour un moteur série car le traitement du signal est plus simple, les interactions mécaniques et le nombre d'éléments étant limités. Par ailleurs, une excellente précision peut être visée. Cependant les systèmes de mesure par effet magnétostrictif présentent, notamment par rapport aux jauges SAW, l'inconvénient de nécessiter un montage sur moteur en deux fois car les éléments statorique d'une part et rotorique d'autre part qui les composent doivent être montés séparément. En raison des tolérances de montage, le système de mesure est donc dans une configuration mécanique différente sur moteur que lors d'une calibration hors moteur. La calibration de la mesure effectuée par cette technique est donc sensible à l'installation sur moteur. La présente invention a pour second objectif la réalisation d'un dispositif et d'un système associé qui soient à la fois tolérants aux variations d'entrefer, robustes et dont la calibration de la mesure soit compatible avec les exigences liées aux nouveaux moteurs en développement. Exposé de l'invention On parvient à ces objectifs avec un dispositif de mesure de couple pour arbre de turbomachine comprenant un corps d'épreuve apte à être monté sur ledit arbre, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve forme support d'au moins une jauge de contrainte à ondes acoustiques et est magnétisé de manière à permettre une mesure de couple par effet magnétostrictif. Le dispositif selon l'invention, en combinant les moyens de mesure sur un même corps d'épreuve, permet de calibrer la mesure magnétostrictive pour la régulation du moteur par la mesure réalisée préalablement avec la ou les jauges de contrainte à ondes acoustiques en tant qu'instrumentation. Un corps d'épreuve est une pièce pouvant assurer la transformation de la grandeur physique à mesurer en une autre grandeur physique mesurable. Le dispositif de l'invention présente les avantages suivants : - La mesure magnétostrictive peut être calibrée une fois installée sur moteur ; on évite alors une calibration hors moteur peu représentative et ainsi on gagne en performance. - L'utilisation d'un banc frein particulièrement coûteux ou impossible à mettre en oeuvre est évitée. - Les performances des systèmes de mesure sont évaluées une fois que ceux ci sont montés sur le moteur. - Il permet d'évaluer, voire caractériser les effets de bord liés à l'installation de la mesure dans le moteur. Selon un mode de réalisation préféré le corps d'épreuve est de forme tubulaire, ladite jauge étant fixée à la paroi de l'élément tubulaire, et comprend une antenne de transmission de signal reliée à la jauge, ledit élément tubulaire étant agencé pour être monté concentriquement sur ledit arbre et comprenant deux éléments de fixation à l'arbre distants axialement l'un de l'autre. Avantageusement la jauge est montée sur la face intérieure de l'élément tubulaire. La fixation est de préférence assurée par collage ; la liaison entre la jauge et son 25 support est alors soumise uniquement à des efforts de compression qui garantissent une meilleure tenue dans le temps. En outre cela permet de la protéger en utilisation. Plus particulièrement, au moins l'un des éléments de fixation est à friction, il comprend notamment une surface de contact perpendiculaire à l'axe de l'élément 30 tubulaire. 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. De préférence aussi, 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 L'antenne est avantageusement cylindrique et est par exemple montée sur un bord du corps d'épreuve. L'invention porte également sur l'arbre de turbomachine, comportant un dispositif de mesure de sa déformation en torsion selon l'invention. L'arbre comporte par exemple une bride radiale, le dispositif étant maintenu par une extrémité à l'arbre en étant en appui axial contre la bride et comprenant éventuellement à son autre extrémité une liaison à crabot. L'invention porte également sur un système de mesure de couple pour arbre de turbomachine comprenant un dispositif selon l'invention, un capteur apte à être fixé sur une pièce statorique en regard du corps d'épreuve pour la mesure magnétostrictive, une antenne fixe apte à recevoir les signaux de la jauge de contrainte et une unité de traitement du signal. L'invention porte également sur un procédé de calibration du système de mesure de couple comprenant : une première étape de calibration dudit dispositif, le dispositif étant monté sur l'arbre mais hors moteur, par application de couples, notamment statiques, de référence sur l'arbre avec le dispositif et en établissant une loi entre la contrainte mesurée par ladite jauge de contrainte SAW et le couple réel appliqué, une étape de montage de l'arbre avec le dispositif dans la turbomachine avec mise en place du système de mesure magnétostrictif, éventuellement la calibration de la première étape est recalée le moteur étant arrêté, et une étape d'établissement d'une loi de calibration entre le couple mesuré par effet magnétostrictif et le couple de référence donné par les jauges de contrainte 5 SAW. Une fois le système calibré les mesures sont effectuée par la seule voie magnétostrictive. 10 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 : 15 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 ; 20 La figure 3 montre la partie de l'arbre de la figure 2 avec le dispositif de mesure, vue en coupe transversale ; La figure 4 est une représentation schématique du système de mesure de l'invention. 25 Description plus détaillée de l'invention Les dispositifs à ondes acoustiques de surface sont utilisés pour réaliser des systèmes d'interrogation à distance. 30 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, une jauge 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 et l'électronique de traitement extrait l'information sur la déformation de la jauge. Un dispositif SAW comprend par exemple comme indiqué sur la figure 1: un système d'interrogation 100; au moins, une jauge 110 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 le couple transmis par l'arbre par l'excitation d'un élément piézoélectrique 115 fixé au corps d'épreuve, dont la fréquence de résonnance dépend de la contrainte qui lui est appliquée. La fréquence de résonnance est transmise à l'électronique fixe via une antenne tournante. Le couple dans l'arbre induit une torsion du corps d'épreuve qui dépend de la combinaison des raideurs mécaniques de l'arbre et du corps d'épreuve. La torsion du corps d'épreuve induit une déformation de la jauge qui dépend de la raideur de la colle entre le corps d'épreuve et la jauge. La contrainte de la jauge est liée à déformation par l'intermédiaire de sa raideur, on la mesure en mesurant la variation de la fréquence de résonnance. La figure 2 montre en perspective un exemple d'arbre de transmission de puissance dans une turbomachine. L'arbre 1, ici, comprend une bride 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 de celui-ci. Cette mesure est effectuée, dans le cadre de l'invention, par un dispositif sans contact utilisant l'effet magnétostrictif, c'est-à-dire la variation de perméabilité magnétique d'un matériau ferromagnétique soumis ici à la contrainte. Le dispositif comprend ainsi un corps d'épreuve 7 magnétisé de forme tubulaire fixé sur l'arbre 1 par ses deux extrémités : il est d'un côté en appui axial contre la bride 5 et de l'autre retenu par un écrou. Le couple dans l'arbre induit une torsion du corps d'épreuve qui dépend de la combinaison des raideurs mécaniques de l'arbre et du corps d'épreuve. La contrainte dans le corps d'épreuve est liée à sa torsion par l'intermédiaire de sa raideur, on la mesure en mesurant la déformation des lignes de champs. Le dispositif fait partie d'un système de mesure représenté schématiquement sur la figure 4, comprenant outre le corps d'épreuve magnétisé 7, une ou plusieurs jauges SAW 20 montées sur la face interne du corps d'épreuve, et une ou plusieurs antennes 22 de forme annulaire et reliées aux jauges SAW. Une antenne fixe 18 est montée sur une pièce statorique autour du rotor, proche des antennes tournantes. Des capteurs 10 servant à la mesure magnétostrictive sont montés autour du rotor. Le système comprend une unité 12 de traitement des signaux issus de ces antennes et capteurs fixes. Le montage est montré plus en détail sur la figure 3 Le corps d'épreuve magnétisé 7 est une pièce cylindrique composée de trois parties axiales avec un fut principal 70 magnétisé, un anneau 71 avec des crabots à une première extrémité axiale et d'un anneau d'appui 73 à son autre extrémité ; ce dernier présente éventuellement des dents de contact. II possède sur la face interne du fut 70 des méplats 75 permettant de fixer des jauges SAW 20. Le fut 70 du corps d'épreuve 7 est réalisé dans un alliage ferromagnétique, notamment martensitique afin de pouvoir être magnétisé et servir à la mesure magnétostrictive. Il ne possède pas de lumière dans sa circonférence contrairement à la solution présentée dans la demande de brevet FR 1362037 citée plus haut. Il s'agit de conserver une uniformité azimutale du champ magnétique généré par l'arbre, ainsi que de garantir l'uniformité du champ de contrainte. Cependant, il faut noter que l'antenne des jauges SAW est positionnée hors du corps d'épreuve en étant monté sur un bord de ce dernier de manière à ce qu'elle puisse communiquer avec l'unité de traitement des signaux. En effet le corps d'épreuve forme une cage de Faraday et empêcherait la réception des informations provenant des jauges SAW si l'antenne était placée à proximité de ces derniers. Pour la mesure, la magnétisation du corps d'épreuve et non de l'arbre directement présente deux avantages : d'une part la composition de l'arbre n'est pas contrainte par les besoins du processus de magnétisation et d'autre part l'arbre n'a pas à subir le processus de magnétisation, ce qui facilite le schéma industriel de sa fabrication et de son montage sur moteur. Le corps 7 est un tube 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 la surface 71' de l'anneau 71 comportant les crabots et aval la surface 73' sur l'anneau 73, 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 13, engagé sur l'arbre et sur lequel il est vissé. Le corps 7 comprend des logements 75 de réception des jauges SAW 20, Ces logements 75 sont prévus de préférence sur la face interne du corps 7 de manière à ce que la couche de liaison de jauges, une pellicule de colle notamment, ne soit soumise qu'à des efforts de compression pendant le fonctionnement de la machine et à éviter la séparation. Le dispositif comprend une antenne 22 en forme de filament métallique collé sur ou moulé dans un matériau non conducteur de l'anneau 71. Il est essentiel que l'antenne soit électriquement isolée de l'arbre. Cette antenne est solidaire du diamètre externe de l'arbre 1 afin de communiquer par ondes électromagnétiques avec le système d'interrogation des jauges situé sur la partie statorique. Dans la pratique l'antenne est installée sur le corps d'épreuve via une portée cylindrique ménagée sur l'anneau 71 de ce dernier et maintenue en place au moyen d'un anneau élastique par exemple. Elle est de préférence bloquée tangentiellement à l'aide d'un crabot ou assimilé. Les jauges sont situées sur le diamètre intérieur du fut magnétisé 70 du corps. L'antenne est donc équipée de connecteurs axiaux qui viennent en coïncidence de lumières axiales réalisées dans l'anneau 71. Ces connecteurs permettent un raccord au réseau de jauges situés sur le diamètre intérieur du corps d'épreuve. 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 73 avec la surface d'appui 51 de la bride 5. Il est maintenu par un outil approprié dans cette position. L'écrou 13 est engagé ensuite sur l'arbre et est vissé de manière à ce que le corps 7 soit maintenu fermement sur l'arbre par la contrainte axiale imposée par l'écrou de serrage. L'outil peut alors être démonté. Un tel outil n'est- pas nécessaire dans le cas où des dents et des crabots sont agencés à l'interface entre le corps d'épreuve et l'arbre. La contrainte axiale crée une zone de friction entre le corps et la bride verticale flexible sur l'arbre. La friction est suffisamment forte pour assurer le maintien du corps sur l'arbre lors de sa torsion. De façon analogue, du côté de l'écrou, la friction de l'écrou sur le corps le rend solidaire de l'arbre. Les efforts de friction engendrés par le serrage empêchent tout glissement en rotation du support. Le couple dans l'arbre se traduit par une variation de la perméabilité magnétique du corps d'épreuve qui est captée en 10. Conformément à l'invention le dispositif est calibré de la façon suivante. La mesure avec jauges SAW est calibrée hors moteur, par application de couples statiques de référence, sous une température environnante connue et maîtrisée. Le but est d'établir une loi liant la variation de la fréquence de résonnance des jauges de contrainte au couple réel appliqué à l'arbre et à la température. L'électronique associée au traitement des jauges SAW est de type « industriel », utilisé comme instrumentation, et non une électronique de type « moteur série » utilisable en vol. L'ensemble est ensuite monté sur moteur, sans mise en fonctionnement de ce dernier. La loi de calibration établie hors moteur est éventuellement corrigée en fonction de la température pour des valeurs de mesure correspondant au couple nul. On dispose alors d'une loi de calibration très précise liant le couple réel et la réponse fréquentielle des jauges sur moteur. Ensuite, le moteur est mis en fonctionnement. On établit une loi de calibration entre 20 couple mesuré par la mesure magnétostrictive et couple de référence donné par la mesure SAW précédemment calibrée. Là encore, on se sert de l'électronique industrielle pour le traitement des jauges SAW et de l'électronique de régulation pour le traitement de la mesure magnétostrictive, 25 plus simple à traiter. Par la suite, le système de jauges SAW n'a plus à être utilisé, seul la mesure magnétostrictive reste active et utile à la régulation. L'électronique de traitement est déconnectée, le moteur reste donc avec son électronique de régulation et sa mesure 30 magnétostrictive calibrée en conditions réelles. Les jauges restent sur moteur. Il est à noter que même en cas de détérioration des jauges, celles-ci sont confinées dans l'enceinte créée par le corps d'épreuve. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de couple pour arbre (1) de turbomachine comprenant un corps d'épreuve (7) apte à être monté sur l'arbre, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve (7) forme support d'au moins une jauge (20) de contrainte à ondes acoustiques et est magnétisé de manière à permettre une mesure de couple par effet magnétostrictif. 2. Dispositif selon la revendication 1 dont le corps d'épreuve (7) est de forme tubulaire, ladite jauge (20) étant fixée à la paroi, notamment intérieure, de l'élément tubulaire et comprend une antenne (22) de transmission de signal reliée à la jauge, ledit élément tubulaire étant agencé pour être monté concentriquement sur ledit arbre et comprenant deux éléments (71 73) de fixation à l'arbre distants axialement l'un de l'autre. 3. Dispositif selon la revendication précédente dont au moins l'un des éléments de fixation est à friction (73). 4. Dispositif selon la revendication précédente dont au moins un élément de fixation par friction comprend une surface de contact perpendiculaire à l'axe de l'élément tubulaire. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4 dont au moins l'un des éléments de fixation comporte des dents agencées pour coopérer avec des dents de forme complémentaire sur l'arbre. 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5 dont l'antenne est cylindrique. 7. Arbre de turbomachine, comportant un dispositif de mesure de sa déformation en torsion selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Arbre rotatif selon la revendication précédente, comportant une bride radiale (5), le dispositif étant maintenu par une extrémité à l'arbre en étant en appui axial contre la bride et comprenant éventuellement à son autre extrémité une liaison à crabot. 9. Système de mesure de couple pour arbre de turbomachine comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes, un capteur (10) apte à être fixé sur une pièce statorique en regard du corps d'épreuve pour la mesure magnétostrictive, une antenne fixe (18) apte à recevoir les signaux de la jauge de contrainte et une unité (12) de traitement du signal. 10. Procédé de calibration du système de mesure de couple comprenant une première étape de calibration dudit dispositif, le dispositif étant monté sur arbre mais hors moteur, par application de couples de référence sur l'arbre avec le dispositif et en établissant une loi entre la contrainte mesurée par ladite jauge de contrainte et le couple réel appliqué, une étape de montage de l'arbre avec le dispositif dans la turbomachine avec mise en place du système de mesure magnétostrictif, éventuellement la calibration de la première étape est recalée le moteur étant arrêté, et une étape d'établissement d'une loi de calibration entre le couple mesuré par effet magnétostrictif et le couple de référence donné par les jauges de contrainte.