Brevet FR3055965A1 — publié le 20180316

SONDE DE MESURE DE PRESSION DE TYPE MULTI-TROUS COMPORTANT UN CORPS DE SONDE EN CÉRAMIQUE ET EN MÉTAL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine général des turbomachines, et plus particulièrement aux dispositifs intrusifs de mesure de pression pour déterminer notamment la vitesse d'écoulement de gaz dans une turbomachine. L'invention concerne plus précisément une sonde de mesure intrusive de pression de type multi-trous pour la mesure de paramètres d'un écoulement de gaz de turbomachine comportant un corps de sonde en céramique et en métal, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle sonde de mesure. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La mesure de la vitesse d'écoulement de gaz est une tâche délicate. En particulier, lorsque cette mesure doit être réalisée dans des environnements dits « sévères » (hautes températures, vitesses des gaz élevées, écoulement pollué/chargé de particules, fortes pressions, ...), et notamment tels ceux rencontrés dans les écoulements propres aux turbomachines, cette tâche peut devenir très compliquée. Les moyens de mesure des vitesses d'écoulement classiques peuvent être classés selon deux grandes catégories, à savoir : les moyens intrusifs et les moyens non intrusifs. Les moyens non intrusifs, bien que théoriquement mieux adaptés à la mesure aérodynamique en ne perturbant pas l'écoulement mesuré, sont complexes de mise en oeuvre puisqu'ils sont généralement de nature optique, par exemple de type Anémométrie Doppler Laser (ADL) ou encore de type Vélocimétrie par Image de Particules (PIV), et nécessitent des modifications importantes du moyen d'essai afin d'établir les accès optiques nécessaires, tels que l'intégration d'hublots. Ils engendrent également de fortes contraintes en termes d'opération au travers des problématiques d'ensemencement des écoulements et de gestion de l'encrassement des accès optiques. 3055965 2 Leur robustesse à l'environnement des turbomachines est ainsi estimée comme relativement faible et leur utilisation est peu recommandée. Par ailleurs, les moyens intrusifs de mesure communément utilisés sont soit basés sur des mesures de flux thermique, tels que les mesureurs de type « fil chaud » ou 5 « film chaud », soit basés sur des mesures de pression, tels que les mesureurs de type « Pitot ». Bien que les mesureurs de flux thermique permettent potentiellement une résolution fréquentielle de l'ordre de plusieurs dizaines de kHz, leur fragilité (essentiellement due aux filaments de tungstène de très faible diamètre, environ 150 um, 10 utilisés) et leur principe même de fonctionnement rendent leur utilisation en environnement sévère impossible. Les mesureurs de pression, notamment de type Pitot, mesurent en un point la pression totale et la pression statique afin de déterminer la composante dynamique de la pression, directement liée au nombre de Mach de l'écoulement. La mesure de pression 15 est effectuée de façon déportée au travers de capillaires cheminant dans le tube de Pitot, connectés à un manomètre ou à un transducteur. Les tubes de Pitot conventionnels doivent cependant être parfaitement alignés avec l'écoulement pour pouvoir mesurer la pression totale, ce qui constitue une contrainte dans des écoulements où la direction du vecteur vitesse peut changer. 20 Pour contourner ce problème, des mesureurs de type multi-trous sont utilisés. Ces mesureurs, plus encombrants que les tubes de Pitot conventionnels, mesurent la pression en plusieurs points, en particulier en au moins trois points, d'un profil de sonde donné. Plusieurs formes de profil peuvent être utilisées en fonction des conditions d'exploitation de la sonde, allant d'une tête de sonde à forme hémisphérique à conique, 25 en passant par des formes pyramidales. Ces mesures sont ensuite converties en nombre de Mach et angle d'incidence vis-à-vis de la tête de la sonde par le biais de tables de calibration obtenues au préalable. La mesure de pression sur les sondes multi-trous conventionnelles est réalisée de la même façon que sur les tubes de Pitot, par le biais de capillaires connectés à des transducteurs. La robustesse de ces mesureurs est estimée comme très bonne avec des tenues en température uniquement limitées par les 3055965 3 matériaux constituant le corps de sonde, permettant leur mise en oeuvre dans des milieux à haute température (typiquement inférieure à 850°C). Ces mesureurs sont également peu sensibles à la présence de particules dans l'écoulement. Des exemples de sondes multi-trous sont donnés dans la demande de brevet US 2014/0331750 Al et dans les 5 brevets US 5,423,209 A et US 5,929,331 A. Toutefois, les sondes conventionnelles sont de type métallique et ne permettent des tenues mécaniques que jusqu'à des températures de l'ordre de 850°C. Au-delà, les matériaux métalliques ne permettent pas d'assurer une tenue mécanique suffisante dans des environnements à fort chargement aérodynamique et où les 10 déflections de sonde acceptables sont faibles. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. En particulier, l'invention vise à proposer un nouveau concept de sonde de 15 mesure intrusive de pression de type multi-trous pour la mesure de paramètres d'un écoulement de gaz de turbomachine permettant d'assurer des tenues mécaniques à haute température, notamment supérieure à 850°C. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, une sonde de mesure intrusive de pression de type multi-trous pour la mesure de paramètres d'un écoulement 20 de gaz de turbomachine, comportant : - un corps de sonde dont la surface extérieure est destinée à être au moins partiellement au contact du milieu extérieur à la sonde de mesure, - une pluralité de capillaires de forme tubulaire, s'étendant au moins partiellement à l'intérieur du corps de sonde et destinés à permettre la mesure de 25 pression, les capillaires étant en communication fluidique avec une pluralité de trous situés sur la surface extérieure du corps de sonde, caractérisée en ce que le corps de sonde de la sonde de mesure est réalisé au moins en partie en céramique et en métal, la ou les parties du corps de sonde réalisées en céramique étant prévues pour être contact d'une ou plusieurs zones du milieu extérieur 3055965 4 de température plus élevée qu'une ou plusieurs zones du milieu extérieur au contact de la ou des parties du corps de sonde réalisées en métal. Grâce à l'invention, il peut être possible de réaliser des mesures de paramètres d'un écoulement de gaz de turbomachine, notamment des mesures de 5 vitesse, dans des environnements sévères, en particulier à haute température, par la mise en oeuvre d'une sonde de type multi-trous avec un corps de sonde hybride céramique/métal. En outre, l'utilisation de la fabrication additive pour générer la partie en céramique de la sonde peut permettre d'obtenir des formes complexes, telles qu'une sonde coudée, difficilement accessibles par des méthodes classiques de production, telles 10 que l'usinage. La sonde de mesure multi-trous selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Le corps de sonde de la sonde de mesure peut comporter une première partie 15 réalisée en céramique et une deuxième partie réalisée en métal. La pluralité de trous peut être située sur la surface extérieure de la première partie en céramique. La première partie en céramique peut être insérée partiellement à l'intérieur de la deuxième partie en métal. Elle peut en outre être solidarisée à la deuxième partie en métal de façon étanche par rapport au milieu extérieur, notamment par brasure de la 20 céramique sur le métal. La pluralité de capillaires peut s'étendre à l'intérieur de la deuxième partie en métal jusqu'au niveau de la première partie en céramique, les capillaires étant solidarisés à la première partie en céramique de façon étanche par rapport au corps de sonde, notamment par brasure. Les capillaires présentent avantageusement une forme 25 rectiligne. La première partie en céramique peut comporter une pluralité de canaux formés dans la céramique et débouchant sur la pluralité de trous situés à la surface extérieure de la première partie en céramique. Les canaux peuvent être situés dans le prolongement des capillaires à l'intersection entre les première et deuxième parties du 30 corps de sonde. 3055965 5 La première partie en céramique peut présenter une section de forme coudée ou rectiligne. La deuxième partie en métal peut comporter une première sous-partie supérieure et une deuxième sous-partie inférieure, solidarisée à la première sous-partie, 5 la deuxième sous-partie étant avantageusement réalisée en alliages de type ferronickel, notamment en Kovar®. Ainsi, la première partie en céramique peut être mécaniquement liée à la première sous-partie par le biais de la deuxième sous-partie. De plus, la sonde peut comporter au moins un fourreau intermédiaire au niveau de l'interface entre au moins un capillaire et la première partie en céramique, le 10 fourreau intermédiaire étant avantageusement réalisé en alliages de type ferronickel, notamment en Kovar®. Ainsi, les capillaires peuvent être brasés sur la première partie en céramique par le biais d'un ou plusieurs fourreaux intermédiaires. En outre, l'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de fabrication d'une sonde de mesure intrusive de pression de type multi- 15 trous telle que définie précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de fabrication de la ou des parties du corps de sonde en céramique par fabrication additive, encore appelée impression tridimensionnelle. La ou les interfaces entre la ou les parties en céramique et la ou les parties en métal, ou les capillaires, peuvent en particulier être réalisées par brasure de la céramique 20 sur le métal. La sonde de mesure multi-trous et le procédé de fabrication selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la présente description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques. 25 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : 3055965 6 - la figure 1 représente, selon une vue en coupe, un exemple de sonde de mesure de pression de type multi-trous conforme à l'invention, - la figure 1A est une vue agrandie selon A de la figure 1, - la figure 2A représente, selon une vue en perspective, un autre exemple de 5 sonde de mesure de pression de type multi-trous conforme à l'invention, - la figure 2B est une vue agrandie selon B de la figure 2A, - la figure 2C représente une vue en négatif des canaux formés dans la première partie en céramique de l'exemple de réalisation de la figure 2A, - la figure 3A représente encore, selon une vue en perspective, un autre 10 exemple de sonde de mesure de pression de type multi-trous conforme à l'invention, - la figure 3B est une vue agrandie selon C de la figure 3A, - la figure 3C représente une vue en négatif des canaux formés dans la première partie en céramique de l'exemple de réalisation de la figure 3A, - la figure 4 représente, selon une vue partielle en coupe, une variante de 15 réalisation de sonde de mesure de pression de type multi-trous conforme à l'invention, et - la figure 5 représente, selon une vue partielle en coupe, une variante de réalisation de la sonde de mesure de la figure 4. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. 20 De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence aux figures 1 et 1A, on a illustré un premier exemple de réalisation d'une sonde de mesure 1 intrusive de pression de type multi-trous pour la 25 mesure de paramètres d'un écoulement de gaz de turbomachine. Plus précisément, la figure 1 représente, selon une vue en coupe, la sonde de mesure 1, et la figure 1A est une vue agrandie selon A de la figure 1. La sonde de mesure 1 comporte un corps de sonde Cs dont la surface extérieure est au contact de milieux extérieurs Ml, M2, M3 à la sonde de mesure 1, plus 3055965 7 particulièrement une zone M1 de température To, une zone M2 de température Ti et une zone M3 de température Th. De plus, la sonde de mesure 1 comporte des capillaires 6 de forme tubulaire, s'étendant à l'intérieur du corps de sonde Cs en communication fluidique avec des trous 7 5 formés à la surface extérieure du corps de sonde Cs. Ces capillaires 6 permettent de transmettre la pression depuis la face supérieure de la première partie 2 en céramique 4 jusqu'à l'extérieur du corps de sonde Cs. Avantageusement, et conformément à l'invention, le corps de sonde Cs de la sonde de mesure 1 est de type hybride, étant constitué de céramique 4 et de métal 5 afin 10 de tenir aux températures et contraintes aérodynamiques élevées présentes dans l'environnement d'une turbomachine. Par exemple, la sonde de mesure 1 conforme à l'invention peut être utilisée pour être implantée en aval d'une chambre de turbine où les températures des gaz peuvent atteindre près de 1200°C. La sonde de mesure 1 peut être insérée dans la turbomachine, traversant 15 plusieurs zones à différentes températures. Dans les zones où la température est la plus élevée, le corps de sonde Cs est fait de céramique. Dans les zones intermédiaires où la température est plus faible, le corps de sonde Cs est réalisé en métal. La partie en céramique permet de résister aux températures élevées tandis que la partie en métal permet de reprendre les efforts mécaniques importants qui ne sauraient être repris par la 20 partie en céramique, trop fragile. Ainsi, comme visible sur les figures 1 et 1A, le corps de sonde Cs de la sonde de mesure 1 comporte une première partie 2 réalisée en céramique 4 et une deuxième partie 3 réalisée en métal 5. Les trous 7 sont situés sur la surface extérieure de la première partie 2 en céramique 4. 25 La première partie 2 en céramique 4 est au contact du milieu extérieur M3 de température Th supérieure aux températures Ti et To des milieux extérieurs M2 et M1 en contact avec la deuxième partie 3 en métal 5. La deuxième partie 3 en métal 5 présente une section décroissante en direction de la première partie 2 en céramique 4. Cette deuxième partie 3 en métal 5 3055965 8 permet de reprendre les efforts auxquels la première partie 2 en céramique 4 ne saurait résister. Par ailleurs, dans cet exemple, la première partie 2 en céramique 4 est insérée partiellement à l'intérieur de la deuxième partie 3 en métal 5. Elle est de plus solidarisée à 5 la deuxième partie 3 en métal 5 au niveau d'une première interface 11 de façon étanche par rapport au milieu extérieur, par brasure de la céramique 4 sur le métal 5. Cette première interface 11 assure la transmission des efforts, prévient la perte de section alumine dans la turbomachine et assure également l'étanchéité entre le corps de sonde Cs et le milieu extérieur M2, M3. 10 En outre, comme on peut le voir également dans cet exemple des figures 1 et 1A, les capillaires 6 s'étendent à l'intérieur de la deuxième partie 3 en métal 5 jusqu'au niveau de la première partie 2 en céramique 4. Les capillaires 6 sont alors solidarisés par brasure à la première partie 2 en céramique 4 de façon étanche par rapport au corps de sonde Cs, au niveau d'une deuxième interface 12. Cette deuxième interface 12 permet de 15 maintenir les capillaires 6 en contact avec la première partie 2 en céramique 4 afin de communiquer la pression jusqu'à l'extérieur du corps de sonde Cs. De plus, elle assure l'étanchéité entre les capillaires 6, et entre le corps de sonde Cs et les capillaires 6. La première partie 2 en céramique 4 comporte alors une pluralité de canaux 8 formés dans la céramique 4 et débouchant sur les trous 7 situés à la surface extérieure de 20 la première partie 2 en céramique 4. Plus particulièrement, les canaux 8 sont situés dans le prolongement des capillaires 6 à l'intersection entre les première 2 et deuxième 3 parties du corps de sonde Cs. Ces canaux 8 présentent un faible diamètre et permettent de transmettre la pression de la face avant de la sonde de mesure 1 comprenant les trous 7 à l'extrémité supérieure de la première partie 2 en céramique 4. 25 Il est à noter que cette première partie 2 en céramique 4 peut être obtenue par micro-usinage ou préférentiellement par fabrication additive. De plus, la section de celle-ci peut être choisie de sorte à pouvoir résister à des températures élevées, notamment supérieures ou égales à 1200°C. 3055965 9 Par ailleurs, les figures 2A à 2C et les figures 3A à 3C représentent respectivement un deuxième exemple et un troisième exemple de sondes de mesure 1 conformes à l'invention. Dans ces deuxième et troisième exemples, les canaux 8 formés dans la 5 céramique 4 sont au moins en partie de forme coudée, comme le montrent les figures 2C et 3C représentant les canaux en négatif 8' de la première partie 2 en céramique. Dans l'exemple de la figure 2C, la première partie 2 en céramique comporte ainsi cinq canaux 8 de forme coudée, débouchant directement sur cinq trous 7 à la surface de la première partie 2 en céramique 4. Dans l'exemple de la figure 3C, la 10 première partie 2 en céramique comporte quatre canaux 8, dont trois de forme coudée et un de forme rectiligne, débouchant directement sur quatre trous 7 à la surface de la première partie 2 en céramique 4. Par ailleurs, dans le deuxième exemple de réalisation des figures 2A à 2C, la première partie 2 en céramique 4 présente une extrémité de forme coudée. Au contraire, 15 dans le troisième exemple de réalisation des figures 3A à 3C, la première partie 2 en céramique 4 présente une extrémité de forme rectiligne. Par ailleurs, en référence à la figure 4, on a représenté partiellement une variante de réalisation d'une sonde de mesure de pression de type multi-trous 1 conforme à l'invention, dont la forme externe peut être semblable à celle des sondes des 20 figures 1, 2A ou 3A. La sonde de mesure 1 comporte un corps de sonde Cs comprenant une première partie 2 en céramique 4 et une deuxième partie 3 en métal 5. De plus, une pluralité de capillaires 6 de forme tubulaire s'étendent à l'intérieur de la partie supérieure de la deuxième partie 3 en métal 5 jusqu'au niveau de la 25 partie supérieure de la première partie 2 en céramique 4, notamment en alumine. La première partie 2 en céramique 4 comporte une pluralité de canaux 8 en communication fluidique avec les capillaires 6. A la différence des exemples décrits précédemment, la deuxième partie 3 en métal 5 comporte ici une première sous-partie supérieure 5a, avantageusement réalisée 3055965 10 en alliages métalliques, notamment en Inconel®, et une deuxième sous-partie inférieure 5b, avantageusement réalisée en alliages de type ferronickel, notamment en Kovar®. La première sous-partie 5a comporte un évidement annulaire 11 dans lequel vient se loger une portion supérieure 12 de la deuxième sous-partie 5b. La deuxième 5 sous-partie 5b comporte en outre une portion inférieure 13 venant se loger dans un évidement annulaire 14 de la première partie 2 en céramique 4. La deuxième sous-partie 5b est solidarisée à la première partie 2 en céramique 4 par exemple par brasure, en particulier au niveau de la portion inférieure 13 de la deuxième sous-partie 5b. La deuxième sous-partie 5b est en outre solidarisée à la 10 première sous-partie 5a par exemple par soudure. La fixation des capillaires 6 est également réalisée par brasure comme décrit précédemment. En outre, la surface extérieure du corps de sonde Cs est sensiblement plane à l'intersection S1 entre la première sous-partie 5a et la deuxième sous-partie 5b, et également sensiblement plane à l'intersection S2 entre la deuxième sous-partie 5b et la 15 première partie 2 en céramique 4. En référence à la figure 5, on a par ailleurs illustré la possibilité d'utiliser des fourreaux intermédiaires 15, avantageusement réalisés en alliages de type ferronickel, notamment en Kovar®, au niveau de l'interface entre les capillaires 6 et la première partie 2 en céramique 4. 20 De façon avantageuse, l'utilisation d'une pièce intermédiaire, sous la forme de la deuxième sous-partie 5b ou d'un fourreau intermédiaire 15, réalisée en un matériau compatible avec les coefficients de dilatation thermique des parties métalliques permet de répondre aux problématiques de dilatation thermique différentielle entre céramique et métal. 25 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier. REVENDICATIONS1. Sonde de mesure (1) intrusive de pression de type multi-trous pour la mesure de paramètres d'un écoulement de gaz de turbomachine, comportant : - un corps de sonde (Cs) dont la surface extérieure est destinée à être au moins partiellement au contact du milieu extérieur (M1, M2, M3) à la sonde de mesure (1), - une pluralité de capillaires (6) de forme tubulaire, s'étendant au moins partiellement à l'intérieur du corps de sonde (Cs) et destinés à permettre la mesure de pression, les capillaires (6) étant en communication fluidique avec une pluralité de trous (7) situés sur la surface extérieure du corps de sonde (Cs), caractérisée en ce que le corps de sonde (Cs) de la sonde de mesure (1) est réalisé au moins en partie en céramique (4) et en métal (5), la ou les parties du corps de sonde (Cs) réalisées en céramique (4) étant prévues pour être contact d'une ou plusieurs zones du milieu extérieur (M3) de température plus élevée qu'une ou plusieurs zones du milieu extérieur (M1, M2) au contact de la ou des parties du corps de sonde (Cs) réalisées en métal (5). 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de sonde (Cs) de la sonde de mesure (1) comporte une première partie (2) réalisée en céramique (4) et une deuxième partie (3) réalisée en métal (5), la pluralité de trous (7) étant située sur la surface extérieure de la première partie (2) en céramique (4). 3. Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première partie (2) en céramique (4) est insérée partiellement à l'intérieur de la deuxième partie (3) en métal (5) et solidarisée à la deuxième partie (3) en métal (5) de façon étanche par rapport au milieu extérieur (M1, M2, M3), notamment par brasure de la céramique (4) sur le métal (5). 3055965 12 4. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pluralité de capillaires (6) s'étend à l'intérieur de la deuxième partie (3) en métal (5) jusqu'au niveau de la première partie (2) en céramique (4), les capillaires (6) étant solidarisés à la première partie (2) en céramique (4) de façon étanche par rapport 5 au corps de sonde (Cs), notamment par brasure. 5. Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que la première partie (2) en céramique (4) comporte une pluralité de canaux (8) formés dans la céramique (4) et débouchant sur la pluralité de trous (7) situés à la surface extérieure de la première partie 10 (2) en céramique (4), les canaux (8) étant situés dans le prolongement des capillaires (6) à l'intersection entre les première (2) et deuxième (3) parties du corps de sonde (Cs). 6. Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la première partie (2) en céramique (3) présente une section de forme coudée ou 15 rectiligne. 7. Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que la deuxième partie (3) en métal (5) comporte une première sous-partie supérieure (5a) et une deuxième sous-partie inférieure (5b), solidarisée à la première sous-partie 20 (5a), la deuxième sous-partie (5b) étant réalisée en alliages de type ferronickel, notamment en Kovar®. 8. Sonde selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un fourreau intermédiaire (15) au niveau de l'interface entre 25 au moins un capillaire (6) et la première partie (2) en céramique (4), le fourreau intermédiaire (15) étant réalisé en alliages de type ferronickel, notamment en Kovar®. 9. Procédé de fabrication d'une sonde de mesure (1) intrusive de pression de type multi-trous selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 3055965 13 ce qu'il comporte l'étape de fabrication de la ou des parties du corps de sonde (Cs) en céramique (4) par fabrication additive. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que la 5 ou les interfaces (11, 12) entre la ou les parties en céramique (4) et la ou les parties en métal (5), ou les capillaires (6), sont réalisées par brasure de la céramique (4) sur le métal (5).