Brevet FR3040194A1 — publié le 20170224

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 allongé 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 est entrainé en rotation par l'arbre d'une turbine basse pression agencée en aval (non représenté). L'arbre du compresseur basse 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 3040194 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 allongés 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 allongé 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 3040194 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 3040194 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 2000 tours par minute créée une pulsation de 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 une fréquence propre qui est fixe et qui est fonction de ses caractéristiques structurelles et dimensionnelles. Lorsque la fréquence de vibration de l'organe f1 se rapproche de sa fréquence de résonance fri, le risque de résonnance devient élevé, ce qui augmente les risques de formations de fissures. 15 Pour limiter les phénomènes de résonances, il convient alors de limiter les plages de fonctionnement du moteur à des plages dans lesquelles la fréquence de vibration f1 est suffisamment éloignée de la fréquence de résonance fr1. En d'autres termes, des plages de régimes de fonctionnement du turboréacteur peuvent être interdites en présence de 20 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 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 25 précédemment. A cet effet, elle propose une veine annulaire d'écoulement d'air, en particulier pour une turbomachine, comprenant deux parois annulaires radialement interne et externe, un organe étant allongé selon une direction entre les parois annulaires interne et externe et une première des 30 extrémités interne ou externe de l'organe étant fixée rigidement à une première des parois interne ou externe, caractérisée en ce que ladite veine 3040194 5 annulaire comporte des moyens de variation, le long de ladite direction, de la position du centre de gravité de l'organe. L'invention propose ainsi d'ajouter des moyens de variation du centre de gravité à un organe allongé s'étendant à l'intérieur d'une veine 5 annulaire. Ainsi, lorsque l'organe allongé comprenant des moyens d'instrumentation est soumis à des vibrations proches de sa fréquence de résonnance, il est possible grâce aux moyens de variation de la position du centre de gravité de modifier la fréquence propre de l'organe allongé de manière à l'éloigner de la fréquence de vibration en fonctionnement. 10 Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de variation de la position du centre de gravité comprennent des moyens de déplacement d'une masse le long de ladite direction d'allongement. En effet, compte-tenu de son allongement selon une direction, cet organe peut en première approche, être assimilé à une poutre dont l'une 15 des extrémités est encastrée, et dont l'autre des extrémités est libre. Dès lors, la théorie des poutres peut s'appliquer et stipule que les fréquences propres fr, de l'organe sont de la forme : fri = où 20 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 entier naturel et désignant le numéro du mode propre qui est considéré pour le calcul ; L, exprimé en mètre, est la position du centre de gravité de l'organe ; 25 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 que le déplacement du centre de gravité fait évoluer les fréquences propres de l'organe. Dans une première réalisation, l'organe comporte au moins un 30 conduit reliant un premier réservoir à un second réservoir, le premier ait (1) 2irL2 3040194 6 réservoir et le second réservoir étant espacés l'un de l'autre le long de ladite direction d'allongement et les moyens de déplacement étant aptes à faire déplacer la masse qui est liquide du premier réservoir vers le second réservoir et inversement. 5 Le liquide est choisi de manière à être adapté aux conditions de température et de pression auxquelles est soumis l'organe en fonctionnement. Le liquide pourra être de l'eau lorsque l'organe est agencé immédiatement en aval d'une roue de soufflante ou de l'huile lorsque l'organe est agencé dans une turbine basse pression. 10 Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le premier réservoir peut comprendre une enveloppe rigide formant un corps dans lequel un piston est monté à coulissement pour le déplacement du liquide entre les premier et second réservoirs. L'usage d'un piston monté à coulissement simplifie le dispositif de 15 déplacement de liquide, générateur de vide au niveau du piston, à un simple déplacement du piston. Le second réservoir peut comporter une enveloppe souple disposée au niveau d'une seconde des extrémités interne et externe opposée à la première extrémité. 20 L'utilisation d'une enveloppe souple permet au liquide de se déplacer et accompagne le déplacement du liquide. Cette enveloppe est fabriquée dans un matériau résistant aux conditions auxquelles est soumis l'organe à la position du plan de mesure. Par exemple cette enveloppe peut être fabriquée en élastomère. 25 Dans une seconde réalisation pratique de l'invention, les moyens de déplacement peuvent comprendre une tige montée mobile en translation, selon la direction d'allongement, dans une cavité de l'organe, cette tige portant la masse, cette dernière étant sous forme d'un solide. L'utilisation d'une tige montée mobile en translation permet 30 d'accroître la précision du contrôle des fréquences propres par le déplacement du centre de gravité de l'organe tout le long de l'organe. La 3040194 7 tige peut être creuse ou pleine. Cette réalisation s'avère également plus simple à mettre en oeuvre puisqu'elle ne nécessite pas de réservoirs et de canal reliés à étanchéité qui peut être délicat à réaliser. Selon une autre caractéristique de cette seconde réalisation 5 pratique, une première des extrémités de la tige mobile traverse ladite première paroi et est reliée à des moyens de mesure de la position de la masse le long de l'organe allongé dans la cavité. L'utilisation de moyens de mesure permet de positionner précisément la masse à l'intérieur de la cavité, ce qui permet de modifier 10 avec précision la fréquence de résonance. Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite masse peut être agencée au niveau d'une seconde extrémité de la tige opposée à la première extrémité. Le déplacement de la masse modifie les fréquences propres de la 15 tige. Celle-ci peut être placée dans le prolongement de la tige ou décalée par rapport à l'extrémité de la tige. La masse peut être dans une matière différente de celle de la tige ou identique. La tige peut également comporter des masselottes espacées le long de la tige. 20 Ces masselottes permettent de limiter la formation de modes propres de la tige en augmentant la rigidité globale de la tige. Ces masselottes peuvent être régulièrement espacées. De préférence, la masse cumulée des masselottes et celle de la tige ne doit pas excéder 10% de la masse terminale située au bout de la tige. 25 Selon une autre caractéristique de l'invention, la seconde extrémité de l'organe allongé opposée à ladite première extrémité est totalement 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 30 important lorsque la seconde extrémité est complètement libre. En effet, 3040194 8 dans cette configuration, l'organe est très sensible aux effets aux vibrations. Notons que l'invention serait également applicable lorsque la seconde extrémité ne possède qu'un seul degré de liberté au niveau de sa 5 seconde extrémité. L'invention concerne également une turbomachine comprenant une veine telle que décrit précédemment et une rangée annulaire d'aubes mobiles entrainées en rotation par un rotor, ladite rangée étant agencée dans la veine en amont dudit organe allongé. 10 Dans cette configuration, en fonctionnement, les aubes impriment, par leurs rotations, une série de pulsations, alternant compression et 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 15 centre de gravité permettant ainsi avantageusement de modifier la fréquence de résonance fr1 de l'organe. L'invention concerne encore un procédé de déplacement du centre de gravité d'un organe d'une veine annulaire dans une turbomachine comportant les étapes consistant à : 20 a) déterminer une première fréquence f1 correspondant à la fréquence de vibration dudit organe ; b) déterminer une seconde fréquence fr1 correspondant à la première fréquence propre dudit l'organe ; c) calculer la valeur absolue If1 - fr1I ; 25 d) effectuer une comparaison de If1 - fr1I par rapport à un premier seuil consistant à établir un risque de résonance si la valeur absolue de ladite différence est inférieure ou égale au premier seuil ; e) si un risque de résonance a été établi à l'étape précédente, 30 déplacer le centre de gravité de l'organe le long de sa direction d'allongement de manière à réduire la fréquence propre de 3040194 9 l'organe lorsque f1 > fr1 ou à augmenter la fréquence propre de l'organe lorsque f1 fr1 correspondant à une situation où la fréquence f1 de vibration de l'organe est supérieure à sa première fréquence propre fr1, la seconde si f1 fr1 ou à augmenter la fréquence propre de l'organe lorsque f1 fr1 correspondant à une situation où la fréquence f1 de vibration de l'organe 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 (58, 94) étant allongé selon une direction entre les parois annulaires interne (60) et externe (62) et une première (64, 102) des extrémités interne ou externe de l'organe (58, 94) étant fixée rigidement à une première des parois interne (60) ou externe (62), caractérisée en ce que ladite veine annulaire comporte des moyens de variation, le long de ladite direction, de la position du centre de gravité de l'organe (58, 94). 2. Veine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de variation de la position du centre de gravité comprennent des moyens de déplacement d'une masse (86, 96) le long de ladite direction d'allongement. 3. Veine selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'organe comporte au moins un conduit (98) reliant un premier réservoir (100) à un second réservoir (104), le premier réservoir (100) et le second réservoir (104) étant espacés l'un de l'autre le long de ladite direction d'allongement et les moyens de déplacement étant aptes à faire déplacer la masse qui est liquide (96) du premier réservoir (100) vers le second réservoir (104) et inversement. 4. Veine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le premier réservoir (100) comprend une enveloppe rigide formant un corps dans lequel un piston (108) est monté à coulissement pour le déplacement du liquide entre les premier (100) et second (104) réservoirs. 5. Veine selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le second réservoir (104) comporte une enveloppe souple disposée au niveau d'une seconde des extrémités interne (106) et externe (102) opposée à la première extrémité. 3040194 17 6. Veine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de déplacement comprennent une tige (74) montée mobile en translation, selon la direction d'allongement, dans une cavité (76) de l'organe (58) , cette tige (74) portant la masse (86). 5 7. Veine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'une première (82) des extrémités de la tige (74) mobile traverse ladite première paroi (62) et est reliée à des moyens de mesure de la position de la masse le long de l'organe (58) allongé dans la cavité (76). 8. Veine selon les revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que ladite 10 masse (86) est agencée au niveau d'une seconde extrémité (84) de la tige (74) opposée à la première extrémité (82). 9. Veine selon les revendications 6 à 8, caractérisée en ce que la tige (74) comporte des masselottes (92) espacées le long de la tige (74). 10.Veine selon la revendication 9, caractérisée en ce que la seconde 15 extrémité (66) de l'organe (58) allongé opposée à ladite première extrémité (64) est libre. 11. Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comprend une veine selon l'une des revendications précédentes et une rangée annulaire d'aubes mobiles entrainées en rotation par un rotor, ladite rangée étant 20 agencée dans la veine en amont dudit organe allongé (58). 12. Procédé de déplacement du centre de gravité d'un organe d'une veine annulaire dans une turbomachine selon l'une des revendications 1 à 11, comportant les étapes consistant à : a) déterminer une première fréquence f1 correspondant à la 25 fréquence de vibration dudit organe (58, 94) ; b) déterminer une seconde fréquence fr1 correspondant à la première fréquence propre dudit l'organe (58, 94) ; c) calculer la valeur absolue If1 - fr1I ; d) effectuer une comparaison de If1 - fr1I par rapport à un 30 premier seuil consistant à établir un risque de résonance si la 3040194 18 valeur absolue de ladite différence est inférieure ou égale au premier seuil ; e) si un risque de résonance a été établi à l'étape précédente, déplacer le centre de gravité de l'organe (58, 94) le long de sa direction d'allongement de manière à réduire la fréquence propre de l'organe (58, 94) lorsque f1 > fr1 ou à augmenter la fréquence propre de l'organe (58, 94) lorsque f1