Brevet FR3044412A1 — publié le 20170602

VEINE INSTRUMENTEE DE TURBOMACHINE La présente invention concerne une veine annulaire d'écoulement d'air, en particulier pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant un organe traversant la veine et pouvant être instrumenté. Classiquement, un turboréacteur à double flux 10, comme l'illustre la figure 1, est constitué d'une turbine à gaz 12 d'axe de révolution 14 entrainant une roue de soufflante 16 carénée, celle-ci étant généralement placée à l'amont du turboréacteur. La masse d'air aspirée par le moteur est divisée en un flux d'air primaire (flèche A), qui circule dans la turbine à gaz 12 ou corps primaire, et un flux d'air secondaire (flèche B), qui est issu de la soufflante 16 et qui entoure annulairement le corps primaire, les flux d'air primaire et secondaire étant concentriques et évoluant dans une veine annulaire primaire 18 et une veine annulaire secondaire 20 respectivement 8. D'une manière bien connue, le flux d'air primaire (flèche A) est généralement compressé par un compresseur basse pression 22 puis par un compresseur haute pression 24 comprenant chacun des aubages fixes 26 et mobiles disposés alternativement dans la direction de déplacement du flux. L'arbre du compresseur basse pression est relié à la roue de soufflante 4 et est entrainé en rotation par l'arbre d'une turbine basse pression agencée en aval (non représenté). L'arbre du compresseur haute pression est entrainé en rotation par l'arbre d'une turbine haute pression agencée en sortie d'une chambre de combustion et en amont de la turbine basse pression (non représentées). Dans un tel turboréacteur à double corps, on désigne habituellement par carter de soufflante, la paroi annulaire externe 28 entourant la roue de soufflante 16 et par carter intermédiaire 30, un élément structural de la turbomachine intercalé axialement entre les compresseurs, basse pression 22 et, haute pression 24 et qui traverse les veines annulaire primaire 18 et 3044412 2 secondaire 20. Ce carter intermédiaire 30 comprend deux parois annulaires radialement interne 32 et externe 34 délimitant, respectivement, intérieurement et extérieurement la veine annulaire 18 d'écoulement du flux d'air primaire, et deux parois annulaires radialement interne 36 et externe 5 38 délimitant intérieurement et extérieurement la veine annulaire secondaire 20, respectivement. Dans le cadre du développement d'un turboréacteur, il est nécessaire de tester les performances de celui-ci afin de le certifier. Des turbomachines de développement sont ainsi prévues à cet effet. Sur ces 10 turboréacteurs, un nombre important de mesures est effectué. Sont mesurées, en particulier, les caractéristiques du flux aérodynamique à des positions axiales ou plans de mesures bien définis 40a, 40b, 40c. A cette fin, des organes de mesure 42a, 42b, 42c, communément appelés mesureurs, agencés au niveau des plans de mesures 40a, 40b, 15 40c sont couramment utilisés pour caractériser le flux aérodynamique en mesurant en fonctionnement des paramètres tels que par exemple la pression et la température. Un tel organe 42a, 42b, 42c, comprend une première extrémité radialement externe 44 et une seconde extrémité 46 radialement interne par rapport à l'axe de rotation. Comme représenté en 20 figure 2, la première extrémité 44 de l'organe 42a comprend une embase 48 fixée par boulonnage sur le carter de soufflante 28. L'embase 48 est ainsi fixée rigidement dans toutes les directions sur la paroi 28. L'organe peut s'étendre sensiblement dans une direction radiale comme les organes 42a ou 42b qui sont agencés dans le flux d'air 25 secondaire et fixés rigidement par leur extrémité radialement externe ou comme l'organe 42c qui s'étend sensiblement perpendiculairement depuis la paroi interne 32 délimitant intérieurement la veine d'écoulement du flux d'air primaire. La seconde extrémité 46 de l'organe opposée à la première 30 extrémité 44 fixée à la turbomachine est généralement libre, c'est-à-dire 3044412 3 avec des degrés de libertés dans les directions axiale, radiale et circonférentielle. Ces organes 42a, 42b, 42c, sont dits intrusifs car ils sont ainsi immergés dans le flux d'air primaire ou secondaire. L'organe de mesure 5 42a comprend un corps 50 tubulaire de forme extérieure aérodynamique apte à impacter le moins possible l'écoulement d'un flux d'air. Le corps 50 comprend une face amont 52 pourvue d'orifices répartis le long de la direction d'allongement du corps 50. Dans l'exemple de réalisation représenté en figure 2, une buse 54 cylindrique est montée dans chaque 10 orifice de sorte à être en saillie vers l'amont par rapport à la face amont 52. Chaque buse 54 est équipée de moyens de mesure de caractéristiques d'un flux tels que la température ou la pression, par exemple. De part leur nature intrusive dans les veines aérodynamiques du moteur, une étude du comportement vibratoire des organes instrumentés 15 est systématiquement effectuée en phase de conception. Il s'agit ainsi de limiter les phénomènes de résonance de l'organe susceptibles d'engendrer des fissures dans l'organe de mesure et pouvant impacter son intégrité mécanique. Dans des cas extrêmes, la formation de criques ou de fissures consécutives aux vibrations peut conduire à la dislocation partielle ou totale 20 de l'organe 42a, 42b, 42c. Les débris ainsi libérés circulent dans la veine et peuvent endommager des parties de la turbomachine agencées en aval. On comprend que les dégâts causés par une telle dislocation peuvent être particulièrement importants lorsqu'un organe 42a, 42b, 42c, de mesure est monté dans la veine primaire puisque les débris peuvent endommager la 25 chambre de combustion et les parties fixes et rotatives des turbines haute et basse pression. Ce phénomène de résonnance de l'organe peut être dû à plusieurs sources d'excitations vibratoires au sein de la turbomachine. Une première source vibratoire est par exemple consécutive du balourd résiduel des 30 ensembles en rotation, c'est-à-dire des rotors basse pression et haute pression. Une seconde source vibratoire a pour origine l'alternance des 3044412 4 phases de compression et de dépression due à la rotation d'une rangée d'aubes mobiles. Cette seconde source vibratoire s'avère particulièrement importante lorsque l'organe de mesure est agencé immédiatement en aval d'une roue mobile comme cela est le cas de l'organe 42a de la figure 1. 5 A titre d'exemple, une roue de soufflante, comportant 30 aubes, tournant à une vitesse de rotation de l'ordre de 2000 tours par minute créée une pulsation d'air selon une direction axiale d'environ 1000 Hz. Si le premier mode propre de l'organe de mesure est voisin de 1000 Hz, l'organe présente alors un risque élevé d'entrer en résonnance. 10 Un organe de mesure a des fréquences propres qui sont fixes et qui sont fonction de ses caractéristiques structurelles et dimensionnelles. Lorsque la fréquence de vibration de l'organe f1 se rapproche de sa fréquence de résonance fr1 de rang 1 ou ses fréquences propres harmoniques, le risque de résonnance de l'organe de mesure devient 15 élevé, ce qui augmente les risques de formations de fissures. Pour des raisons de clarté, nous prendrons pour exemple de fréquence propre la fréquence de résonance fr1 de rang 1. Pour limiter les phénomènes de résonances, il convient alors de limiter les plages de fonctionnement du moteur à des plages dans 20 lesquelles la fréquence de vibration f1 est suffisamment éloignée de sa fréquence de résonance fr1. En d'autres termes, des plages de régimes de fonctionnement du turboréacteur peuvent être interdites en présence de l'organe de mesure, limitant l'intérêt des essais moteurs. Un arrêt de la turbomachine d'essai peut aussi être nécessaire pour changer l'organe, ce 25 qui induit une augmentation des coûts. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes de l'art antérieur décrit précédemment. A cet effet, elle propose une veine annulaire d'écoulement d'air, en 30 particulier pour une turbomachine, comprenant deux parois annulaires radialement interne et externe, un organe de mesure étant allongé selon 3044412 5 une direction entre les parois annulaires interne et externe et une première des extrémités interne ou externe de l'organe étant fixée rigidement à une première des parois interne ou externe, caractérisée en ce que l'organe comprend au moins une cavité tubulaire s'étendant le long de l'organe et 5 alimentée en fluide sous pression. Ainsi, lorsque l'organe de mesure comprenant des moyens d'instrumentation est soumis à des vibrations proches de sa fréquence de résonnance, il est possible grâce à l'alimentation en fluide sous pression de faire varier la raideur K de l'organe en faisant varier la pression en fluide à 10 1"intérieur de la cavité tubulaire de l'organe. La modification de la raideur K (N-m-1) de l'organe induit une modification de la fréquence propre de l'organe de mesure, ce qui permet d'éloigner sa fréquence de vibration en fonctionnement de sa fréquence de résonance. Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite au moins une 15 cavité est un circuit fermé de fluide sous pression. Dans cette configuration, la cavité ne communique fluidiquement qu'avec des moyens d'alimentation en fluide. Le fluide sous pression est avantageusement de l'air, ce qui permet d'éviter l'augmentation de la masse de l'organe, laquelle augmentation de 20 masse peut quasiment être négligée au regard de la variation de raideur induite par la variation de pression. De plus, un gaz tel que l'air présente l'avantage d'avoir une masse volumique inférieure aux liquides, à pression égale. L'augmentation de raideur induite par une augmentation de la pression de ladite au moins une cavité de l'organe n'est ainsi pas annulée 25 par une augmentation de la masse totale de l'organe (voir équation 1 ci- dessous). En effet, compte-tenu de son allongement selon une direction, cet organe peut en première approche, être assimilé à une poutre dont l'une des extrémités est encastrée, et dont l'autre des extrémités est libre. Dès 30 lors, la théorie des poutres peut s'appliquer et stipule que les fréquences propres fr, de l'organe sont de la forme : 3044412 fr = a2 i 2 zL2 où ai, exprimé en mètre, est un coefficient qui dépend de l'ordre du mode, et des conditions d'accrochage de l'organe sur le carter, i étant un 5 entier naturel et désignant le numéro du mode propre qui est considéré pour le calcul ; L, exprimé en mètre, est la longueur de l'organe depuis son extrémité radialement externe jusqu'à son extrémité libre radialement interne ; 10 K, exprimé en Newton par mètre, est la raideur de l'organe ; et m, exprimé en kg, est la masse de l'organe. De cette relation, on déduit bien que la variation de la raideur fait évoluer les fréquences propres de l'organe. Dans une première réalisation, l'organe de mesure a, dans un plan 15 perpendiculaire à sa direction d'allongement, une forme en U formée de deux branches. De plus, parmi ladite au moins une cavité tubulaire, au moins une cavité est aménagée dans chacune des branches. Dans cette réalisation, le logement formé par les branches du U permettent le passages des câbles de mesure reliés aux moyens de 20 mesure des caractéristiques d'un flux logés dans des buses le long de l'organe de mesure. Les cavités formées dans les branches du U sont alimentées en fluide sous pression, ce qui permet, au besoin, de faire varier la raideur de chacune des branches. 25 Dans une autre réalisation de l'invention, l'organe de mesure comprend un corps tubulaire délimitant ladite au moins une cavité et cette cavité s'étendant le long de ladite direction d'allongement et logeant une pluralité de câbles connectés à des buses de mesure de caractéristiques de l'écoulement de l'ari dans la veine, ces buses étant orientés vers 30 l'amont. 6 (1) 3044412 7 Ainsi, dans cette réalisation, les câbles de connexion aux buses de mesure sont agencés dans la cavité reliée aux moyens de mise sous pression. Selon une autre caractéristique de l'invention, un tronçon du corps 5 tubulaire est entouré d'une bague d'étanchéité au travers de laquelle la cavité est alimentée en fluide sous pression. Dans une réalisation pratique de l'invention, l'organe de mesure est allongé dans la veine selon une direction sensiblement radiale, la première extrémité de l'organe de mesure pouvant être fixée rigidement à la paroi 10 externe et une seconde extrémité de l'organe de mesure opposée à ladite première extrémité peut être libre, c'est-à-dire avec des degrés de libertés dans les directions axiale, radiale et circonférentielle. Le contrôle des fréquences propres de l'organe est particulièrement important lorsque la seconde extrémité est complètement libre. En effet, 15 dans cette configuration, l'organe est très sensible aux vibrations en fonctionnement. Notons que l'invention serait également applicable lorsque la seconde extrémité ne possède qu'un seul degré de liberté au niveau de sa seconde extrémité. 20 Préférentiellement, la veine comprend des moyens d'alimentation en fluide sous pression et des moyens de commande des moyens d'alimentation en fluide sous pression. De préférence, les moyens de commande sont reliés en entrée à des moyens de mesure de la fréquence de vibration de l'organe. 25 Les moyens de commande permettent d'envoyer une valeur de pression de consigne aux moyens d'alimentation, lesquels moyens d'alimentation sont configurés pour pouvoir adapter l'alimentation en fluide sous pression à la valeur de consigne. L'invention concerne également une turbomachine comprenant une 30 veine telle que décrit précédemment et une rangée annulaire d'aubes 3044412 8 mobiles entrainées en rotation par un rotor, l'organe de mesure étant agencé dans ladite veine en aval de ladite rangée annulaire d'aubes. Dans cette configuration, en fonctionnement, les aubes impriment, par leurs rotations, une série de pulsations, alternant compression et 5 dépression, dont la fréquence de cette série de pulsations à la fréquence f, influence la fréquence de vibration de l'organe f1 qui peut alors se rapprocher de la fréquence propre fr1 de l'organe, le déplacement du centre de gravité permettant ainsi avantageusement de modifier la fréquence de résonance fr1 de l'organe. 10 L'invention concerne encore un procédé de variation de la raideur de l'organe de mesure d'une veine annulaire dans une turbomachine comportant les étapes consistant à : a) identifier la pression dans ladite au moins une cavité tubulaire de l'organe de mesure ; 15 b) mesurer la fréquence de vibration f1 dudit organe ; c) déterminer la fréquence propre fr1 de l'organe de mesure à partir de la pression identifiée dans la cavité et d'obtenir la valeur absolue 'fi - f ri ; d) comparer la valeur absolue If, - fri I avec un seuil et établir un 20 risque de résonnance si cette valeur absolue est inférieure ou égale au seuil alors; et e) si un risque de résonance a été établi à l'étape précédente, faire varier la pression dans ladite au moins une cavité tubulaire de l'organe de mesure jusqu'à ce que le risque ne soit plus établi. 25 Le procédé selon l'invention permet à l'aide de moyens de modification de la pression dans une cavité de l'organe de mesure de modifier la fréquence propre fr1 de l'organe afin que cette fréquence soit suffisamment éloignée de la fréquence de vibration f1 en fonctionnement de l'organe. Il est ainsi possible de limiter les risques de résonnance de 30 l'organe. 3044412 9 Lorsque la différence entre les fréquences f1 et fr1 n'est pas suffisamment importante deux situations se présentent : la première si f1 > fr1 correspondant à une situation où la fréquence f1 de vibration de l'organe est supérieure à sa fréquence propre fr1, la seconde si f1 fr1 correspondant à une situation où la fréquence f1 de vibration de l'organe 80, 88 est supérieure à la fréquence propre fr1 - f1 REVENDICATIONS1. Veine annulaire d'écoulement d'air, en particulier pour une turbomachine, comprenant deux parois annulaires radialement interne (60) et externe (62), un organe (80, 88) de mesure étant allongé selon une direction entre les parois annulaires interne (60) et externe (62) et une première (64) des extrémités interne ou externe de l'organe (80, 88) étant fixée rigidement à une première des parois interne (60) ou externe (62), caractérisée en ce que l'organe (80, 88) comprend au moins une cavité tubulaire (63, 84a, 84b, 91) s'étendant le long de l'organe (80, 88) et alimentée en fluide sous pression. 2. Veine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite au moins une cavité (84a, 84b, 91) est en circuit fermé de fluide sous pression. 3. Veine selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'organe (80) de mesure a, dans un plan perpendiculaire à sa direction d'allongement, une forme en U formée de deux branches (82a, 82b), et en ce que parmi ladite au moins une cavité tubulaire (84a, 84b), au moins une cavité est aménagée dans chacune des branches (81a, 82b). 4. Veine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'organe (88) de mesure comprend un corps tubulaire (90) délimitant ladite au moins une cavité (91), cette cavité (91) s'étendant le long de ladite direction d'allongement et logeant une pluralité de câbles (92) connectés à des buses de mesure de caractéristiques de l'écoulement de l'air dans la veine orientées vers l'amont. 5. Veine selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un tronçon du corps tubulaire (90) est entouré d'une bague (96) d'étanchéité au travers de laquelle la cavité (91) est alimentée en fluide sous pression. 6. Veine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'organe de mesure est allongé dans la veine selon une direction sensiblement radiale, la première extrémité (64) de l'organe de mesure 3044412 17 (58, 80, 88) est fixée rigidement à la paroi externe (62) et une seconde extrémité (66) de l'organe (58, 80, 88) de mesure opposée à ladite première extrémité (64) est libre. 7. Veine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle 5 comprend des moyens d'alimentation (74) en fluide sous pression et des moyens de commande (76) desdits moyens d'alimentation (74), les moyens de commande (76) étant reliés en entrée à des moyens de mesure (78) de la fréquence de vibration de l'organe (80, 88) de mesure. 10 8. Veine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fluide sous pression est de l'air sous pression. 9. Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comprend une veine selon l'une des revendications précédentes et une rangée annulaire d'aubes 15 mobiles entrainées en rotation par un rotor, l'organe (80, 88) de mesure étant agencé dans ladite veine en aval de ladite rangée annulaire d'aubes. 10. Procédé de variation de la raideur de l'organe de mesure d'une veine annulaire selon l'une des revendications 1 à 8, comportant les étapes 20 consistant à : a) identifier la pression dans ladite au moins une cavité tubulaire de l'organe de mesure (80, 88) ; b) mesurer la fréquence de vibration f1 dudit organe (80, 88) ; c) déterminer la fréquence propre fr1 de l'organe de mesure à 25 partir de la pression identifiée dans la cavité (84a, 84b, 91) et obtenir la valeur absolue If1 - fr1I ; d) comparer la valeur absolue If1 - fr1I avec un seuil et établir un risque de résonnance si cette valeur absolue est inférieure ou égale au seuil; et 3044412 18 si un risque de résonance a été établi à l'étape précédente, faire varier la pression dans ladite au moins une cavité tubulaire (84a, 84b, 91) de l'organe (80, 88) de mesure jusqu'à ce que le risque ne soit plus établi.