Brevet FR3086392A1 — publié le 20200327

ENSEMBLE DE TEST DOMAINE [1] La présente invention concerne un ensemble de test destiné à simuler des vibrations non synchrones sur une ligne d'arbre et un procédé de simulation de vibrations asynchrones d'un arbre de turbomachine à l'aide d'un tel ensemble de test. CONTEXTE [2] L'invention concerne notamment la simulation du comportement dynamique d'un rotor ou d'un arbre basse-pression d'un turboréacteur à double flux. Pour rappel, l'arbre basse-pression permet notamment de relier la turbine basse-pression et le compresseur basse-pression du turboréacteur, l'ensemble appartenant au corps basse-pression. [3] Un rotor est dit supercritique lorsque la vitesse critique associée à son premier mode de flexion (communément appelé « mode 1F ») est située dans sa plage de fonctionnement. Il peut alors, dans certaines conditions, être sujet à une réponse asynchrone de son premier mode de flexion. Cette réponse asynchrone (appelée également NSV, pour Non Synchronous Vibrations en anglais) peut être stable ou divergente. On parle alors d'instabilités. [004] Les réponses asynchrones peuvent avoir plusieurs causes, telles que l'amortissement du rotor (liaisons entre pièces, cannelures, frottements, rétention d'huile dans des parties tournantes,..), le jeu dans les roulements, la présence de non-linéarités dans le comportement dynamique, etc. [005] Lorsque qu'elles se produisent, les instabilités dynamiques divergent rapidement, par exemple en quelques secondes, et conduisent à des contacts entre le rotor et le stator qui peuvent générer des endommagements. 2 [6] Lors de la conception de la turbomachine, on cherche à empêcher l'apparition de ces réponses asynchrones dans le domaine de fonctionnement moteur en réduisant ou supprimant les sources déstabilisantes et en ajoutant des éléments stabilisants (amortissement 5 externe via des moyens d'amortissement par film de fluide comprimé ou SFD - pour Squeeze Film Damper, en anglais). [7] Différents outils et méthodes sont utilisés en dimensionnement pour évaluer la stabilité des rotors supercritiques. La qualité prédictive de ces méthodes dépend cependant fortement des sources déstabilisantes à 10 l'ceuvre. On s'appuie alors sur l'expérience pour définir les marges associées nécessaires lors du dimensionnement des rotors. [8] L'approche expérimentale pour déterminer le domaine de stabilité d'un rotor est possible mais rarement employée car elle repose sur la réalisation d'essais endommageant le rotor. De plus le caractère très non 15 linéaire de certaines de ces sources d'instabilité rend ces essais peu reproductibles. [9] La problématique concerne donc d'une part, la prédictivité insuffisante dans certains cas de l'approche analytique, et d'autre part, la difficulté à reproduire de manière maitrisée ces instabilités en essai pour les étudier. 20 RESUME DE L'INVENTION [10] L'invention vise à offrir un moyen simple permettant de simuler par essai ces instabilités de manière reproductible. [11] A cet effet, l'invention concerne un ensemble de test comportant un arbre destiné à simuler un arbre de turbomachine, une bague creuse montée 25 autour de l'arbre et solidaire de l'arbre, ladite bague comportant un volume annulaire interne destiné à l'injection d'un fluide, et des moyens d'injection de fluide dans ledit volume annulaire. [12] L'arbre est par exemple destiné à simuler le comportement d'un arbre de turboréacteur ou de turbopropulseur d'avion, en particulier d'un arbre d'un 3 corps basse-pression d'un turboréacteur à double flux. Un tel ensemble permet en particulier la simulation par essai du phénomène de balourd d'huile. Un tel phénomène apparaît sur les turbomachines présentant des problèmes d'étanchéité, d'évacuation d'huile ou lorsqu'une mauvaise 5 conception conduit à une rétention d'huile sur la turbomachine. Sous l'effet centrifuge, cette rétention d'huile conduit à la formation d'une vague qui peut engendrer des niveaux de charges et de vibrations importants et fluctuants rapidement (apparitions et disparitions brusques), et dont la signature vibratoire répond sur un multiple de la vitesse de rotation de l'arbre, compris 10 entre 0,8 et 0,95, et dans une mesure plus faible, sur les harmoniques de ce sous-ordre. [13] En fonctionnement, l'ensemble selon l'invention permet d'introduire une quantité déterminée de fluide dans le volume interne de la bague. La rotation de l'arbre et de la bague génère la centrifugation du fluide qui est 15 amené dans la partie radialement externe du volume interne de la bague, de façon à simuler le balourd décrit précédemment. [14] Les termes radial et axial sont définis par rapport à l'axe de l'arbre et de la bague. Le fluide est par exemple de l'huile ou de l'eau. [15] La bague peut être positionnée de façon à être située au plus proche 20 du ventre du mode de flexion, c'est-à-dire de la zone axiale de l'arbre présentant la plus grande déformée. Il est également possible de faire varier la position axiale de la bague afin de caractériser l'évolution des réponses asynchrones en fonction de la position axiale de la bague, de façon notamment à caractériser des modes dits de suspension. 25 [016] L'arbre peut comporter au moins deux parties de plus grand diamètre et une partie de plus faible diamètre situés axialement entre les parties de plus grand diamètre, la bague étant formées de deux parties assemblées de façon étanche l'une à l'autre. [017] Les deux parties de plus grand diamètre sont par exemple situées au niveau des extrémités de l'arbre. Lesdites extrémités peuvent comporter des parties coniques. 4 [018] La réalisation de la bague en au moins deux parties permet le montage de ladite bague même dans le cas où les extrémités de l'arbre sont tronconiques ou de plus grand diamètre que la zone axialement médiane de l'arbre. 5 [019] Les deux parties de la bague peuvent être assemblées par soudage l'une à l'autre, ou par l'intermédiaire d'un joint à complémentarité de forme. Chaque partie de la bague peut s'étendre sur 180°. [20] La bague peut être solidarisée en rotation à l'arbre par l'intermédiaire d'un joint torique. La bague peut être montée de façon déplaçable axialement 10 par rapport à l'arbre. [21] La bague peut comporter une paroi annulaire radialement interne, une paroi annulaire radialement externe, une première paroi radiale et une seconde paroi radiale reliant lesdites parois radialement interne et externe, les parois radiales étant décalées axialement l'une de l'autre, lesdites parois 15 délimitant entre elles le volume interne de la bague. [22] La première paroi radiale peut comporter une ouverture, située à proximité de la périphérie radialement interne, destinée à l'introduction de fluide par l'intermédiaire des moyens d'injection de fluide. [23] Ladite ouverture peut être annulaire. 20 [024] Ladite ouverture s'étend par exemple depuis la paroi radialement interne jusqu'à une zone radialement médiane de la première paroi radiale. [25] La seconde paroi radiale peut être dépourvue d'ouverture servant à l'injection de fluide. [26] Les moyens d'injection de fluide peuvent comporter au moins une 25 conduite d'injection de fluide débouchant dans le volume interne de la bague. [27] La conduite peut comporter une partie s'étendant axialement, traversant l'ouverture de la première paroi radiale, et au moins une extrémité formant une buse d'injection débouchant dans le volume interne, s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la partie axiale. 30 [028] La conduite peut être flexible, afin d'éviter une rupture de celle-ci en cas d'excentrement de l'arbre. 5 [029] L'invention concerne également un procédé de simulation du comportement dynamique d'un arbre de turbomachine à l'aide d'un ensemble de test du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : 5 - introduire le fluide dans le volume interne de la bague, entraîner en rotation l'arbre et la bague, - mesurer la déformation de l'arbre lors de son entraînement en rotation. [030] Cette mesure est effectuée par exemple en disposant des capteurs de déplacement fixes à différentes positions axiales de l'arbre. 10 [031] Le fluide peut être introduit alors que l'arbre et la bague sont entraînés en rotation. De cette manière, on garantit que le fluide introduit dans le volume interne de la bague est directement centrifugé et ne risque pas de s'échapper par l'ouverture de la bague. [32] Le fluide peut être introduit après passage du mode de flexion de 15 l'arbre. A l'inverse, le fluide peut également être introduit avant passage dudit mode de flexion, voire avant l'entraînement en rotation de la bague et de l'arbre, en fonction notamment de la position de l'ouverture. [33] La bague peut être réalisée avec des tolérances dimensionnelles relativement faibles et avec un balourd résiduel suffisamment faible (dont 20 l'ordre de grandeur est inférieur à 5 cm.gr) pour être corrigé lors de l'équilibrage de la ligne d'arbre. La bague peut avoir sa propre capacité d'équilibrage, par exemple par l'intermédiaire d'un collier d'équilibrage rapporté. [34] Une caractérisation vibratoire à vide de la ligne d'arbre (montée et 25 descente en régime) avec la bague injection de fluide dans le volume interne de la bague peut être réalisée afin de connaître la situation vibratoire de l'arbre sans balourd d'huile ou d'eau. [35] En ce qui concerne l'estimation de la quantité d'huile nécessaire pour générer des réponses asynchrones, un compromis peut être trouvé entre le 30 volume de la bague qui devra être suffisamment grand pour contenir la quantité d'huile nécessaire pour simuler des réponses asynchrones, et une 6 bague de dimensions suffisamment faibles pour que les défauts de cette bague puissent être corrigés par équilibrage. [36] Des calculs numériques de mécanique de fluides, ou CFD (pour Computational Fluid Dynamics, en anglais) peuvent être réalisés afin de 5 définir la quantité d'huile permettant de générer les réponses asynchrones souhaitées. [37] La quantité d'huile étant incluse dans un volume fini, le risque que les réponses asynchrones générées divergent est normalement négligeable. Le cas échéant, afin de lever le risque, des essais en augmentant 10 progressivement la quantité d'huile peuvent être réalisés afin de déterminer à partir de quelle quantité d'huile les réponses asynchrones commencent à diverger. [38] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante 15 faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES la figure 1 est une vue en perspective et en coupe axiale, de l'arbre et de la bague d'un ensemble de test selon l'invention ; la figure 2 est une vue de détail de la figure 1 ; 20 la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une partie de l'arbre et de la bague. La figure 4 est une vue schématique illustrant la position des capteurs autour de l'arbre. DESCRIPTION DETAILLEE 25 [039] Les figures 1 à 3 représentent un ensemble de test selon une forme de réalisation de l'invention. 7 [40] Celui-ci comporte un arbre 1 creux, destiné à simuler un arbre de turbomachine, en particulier un arbre d'un rotor basse pression d'un turboréacteur d'avion. [41] Une bague 2 est montée autour de l'arbre 1, ladite bague 2 étant 5 couplée en rotation à l'arbre 1 par l'intermédiaire d'un joint torique non représenté, autorisant le déplacement de la bague 2 selon l'axe X de l'arbre 1 et de la bague 2. [42] La bague 2 comporte une paroi annulaire radialement interne 3, une paroi annulaire radialement externe 4, une première paroi radiale 5 et une 10 seconde paroi radiale 6 reliant lesdites parois radialement interne 3 et externe 4. Les parois radiales 5, 6 sont décalées axialement l'une de l'autre. Les différentes parois 3, 4, 5, 6 délimitent entre elles un volume interne 7. [43] La première paroi radiale 5 comporte une ouverture annulaire 8, située à proximité de la périphérie radialement interne de la première paroi 15 5. L'ouverture annulaire 8 s'étend depuis la paroi radialement interne 3 jusqu'à une zone radialement médiane de la première paroi radiale 5. [44] La seconde paroi radiale 6 est dépourvue d'ouverture. [45] La bague est réalisée en deux parties, s'étendant chacune sur 180° environ, assemblées de manière étanche l'une à l'autre, par exemple par 20 l'intermédiaire de moyens étanches à complémentarité de forme. Les deux parties sont symétriques par rapport au plan axial et forment une bague annulaire une fois assemblées l'une à l'autre, de façon à entourer l'arbre 1. Seule l'une des parties de la bague 1 est visible aux figures 1 et 2. [46] L'ensemble comporte également des moyens d'injection de fluide 25 comportant au moins une conduite d'injection de fluide 9 débouchant dans le volume interne 7 de la bague 2. En particulier, la conduite 9 comporte une partie 10 s'étendant radialement, extérieure à la bague 2, prolongée par une partie 11 s'étendant axialement, traversant l'ouverture 8 de la première paroi radiale 5, et au moins une extrémité 12 formant une buse d'injection 30 débouchant dans le volume interne 7, s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la partie axiale. 8 [47] La conduite 9 peut être flexible, afin d'éviter une rupture de celle-ci en cas d'excentrement de l'arbre 1. [48] En fonctionnement, l'arbre 1 et la bague 2 sont entraînés en rotation et un fluide tel que de l'huile ou de l'eau peut être introduit dans le volume 5 interne 7 au travers de la conduite 9. Le fluide 12 est alors centrifugé sur la paroi radialement externe 4. [49] Comme indiqué précédemment, la position axiale de la bague 2 le long de l'arbre 1 peut être ajustée, en fonction du type de test à réaliser. [50] Des capteurs de déplacement classiques, par exemple des 10 proximètres, sont fixés sur un bâti statique, à différentes positions circonférentielles ou azimuths, et/ou à différentes positions axiales au niveau de l'arbre, et reliés à un système d'acquisition, permettent d'exploiter l'essai associé au dispositif. [51] En l'absence d'huile ou d'eau dans la bague 2, ces capteurs ne 15 détectent ou mesurent que la réponse synchrone de l'arbre (due au balourd présent avant équilibrage et au balourd résiduel après équilibrage), avec une réponse marquée sur le ou les modes de l'arbre. [52] En présence d'huile ou d'eau dans la bague 2, ces capteurs détectent ou mesurent en plus de cette réponse synchrone, une réponse asynchrone, 20 avec une amplitude visible à un sous-multiple du régime (ordre 0.8 à 0.95 dans l'expérience). [53] Cette réponse peut être rendue visible par une analyse temporelle ou fréquentielle des signaux des capteurs de déplacements (spectrogrammes). [54] L'utilisation d'une seule position axiale de capteur(s) peut suffire, le ou 25 les capteurs étant alors situés idéalement axialement au niveau du ventre de déformation du mode d'arbre que l'on souhaite caractériser. Le ventre est le maximum de la déformée de l'arbre 2. [55] Par ailleurs, comme illustré à la figure 4, au moins deux capteurs 13 peuvent être décalés circonférentiellement autour de l'arbre 1, c'est-à-dire 30 situés à des positions azimutales différentes, afin de caractériser le déplacement dans le plan transverse pour mesurer l'orbite du rotor. Ces 9 capteurs 13 peuvent ou non être situés à des positions axiales différentes sur l'arbre 1. [056] Selon une forme de réalisation, il est possible d'ajouter des masses simulant des disques, afin de simuler une réponse plus représentative d'un 5 arbre moteur (modes de suspensions en plus du ou des modes d'arbre), l'arbre étant supporté par au moins deux paliers, amortis ou non. Le mode de suspension est l'influence de la suspension dans la réponse de l'arbre. REVENDICATIONS1. Ensemble de test comportant un arbre (1) destiné à simuler des vibrations non synchrones sur une ligne d'arbre, comportant un arbre qui simule un arbre (1) de turbomachine, une bague (2) creuse montée autour de l'arbre (1) et solidaire de l'arbre (1), ladite bague (2) comportant un volume annulaire interne (7) destiné à l'injection d'un fluide (12), et des moyens d'injection de fluide (9) dans ledit volume annulaire (7). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre (1) comporte au moins deux parties de plus grand diamètre et une partie de plus faible diamètre situés axialement entre les parties de plus grand diamètre, la bague (2) étant formées de deux parties assemblées de façon étanche l'une à l'autre. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bague (2) comporte une paroi annulaire radialement interne (3), une paroi annulaire radialement externe (4), une première paroi radiale (5) et une seconde paroi radiale (6) reliant lesdites parois radialement interne et externe (3, 4), les parois radiales (5, 6) étant décalées axialement l'une de l'autre, lesdites parois (3, 4, 5, 6) délimitant entre elles le volume interne (7) de la bague (2). 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première paroi radiale (5) comporte une ouverture (8), située à proximité de la périphérie radialement interne, destinée à l'introduction de fluide (12) par l'intermédiaire des moyens d'injection de fluide (12). 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite ouverture (8) est annulaire. 6. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens d'injection de fluide comportent au moins une conduite d'injection de fluide (9) débouchant dans le volume interne (7) de la bague (2). 11 7. Ensemble selon les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que la conduite (9) comporte une partie (11) s'étendant axialement, traversant l'ouverture (8) de la première paroi radiale (5), et au moins une extrémité (12) formant une buse d'injection débouchant dans le volume interne (7), 5 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la partie axiale (11). 8. Procédé de simulation de vibrations asynchrones d'un arbre (1) de turbomachine à l'aide d'un ensemble de test selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: 10 introduire le fluide (12) dans le volume interne (7) de la bague (2), - entraîner en rotation l'arbre (1) et la bague (2), - mesurer la déformation de l'arbre (1) lors de son entraînement en rotation. 9. Procédé de simulation selon la revendication 8, caractérisé en 15 ce que le fluide (12) est introduit alors que l'arbre (1) et la bague (2) sont entraînés en rotation.