Brevet FR3099825A1 — publié le 20210212

Description Titre de l'invention : Capteur capacitif, élément abradable incluant ce capteur et rotor équipé de cet élément abradable. Domaine technique [0001] La présente invention concerne un capteur capacitif de mesure de jeu dans une tur- bomachine, un élément abradable pour le rotor d'une turbine de turbomachine, intégrant un tel capteur capacitif et enfin un rotor de turbine de turbomachine équipé dudit élément abradable. De préférence, la turbine est une turbine basse pression. Technique antérieure [0002] De manière classique, les gaz traversant une turbomachine s'écoulent d'amont en aval, successivement au travers d'une soufflante, d'un compresseur basse pression, d'un compresseur haute pression, avant de pénétrer dans la chambre de combustion. A la sortie de celle-ci, les gaz traversent successivement une turbine haute pression puis une turbine basse pression. [0003] La figure 1 jointe illustre de façon schématique une partie d'une turbine de tur- bomachine. [0004] Une turbine comprend plusieurs roues de rotor, agencées en alterntuice avec des dis- tributeurs qui comportent des rangées d'aubes fixes, formant ainsi plusieurs étages de turbine. [0005] Sur la figure 1, un seul étage de turbine est représenté. La roue de rotor 1 porte plusieurs aubes radiales 10, (une seule étant visible sur la figure 1). Cette roue est entourée par une virole annulaire 2, portée par un carter externe 3. [0006] Les aubes fixes sont référencées 4 et sont fixées sur le carter externe 3. [0007] La virole annulaire 2 qui entoure extérieurement la roue de rotor 1 porte sur sa face radialement interne au moins un élément abradable 20 annulaire. [0008] L'aube 10 est munie à son extrémité radialement externe d'une ou de plusieurs léchettes 11. [0009] En fonctionnement, c'est-à-dire lorsque la roue de rotor 1 est entraînée en rotation, les aubes 10 se dilatent, de sorte que les extrémités des léchettes 11 peuvent venir frotter contre les éléments en matériau abradable 20 et y creuser un ou plusieurs sillons annulaires. [0010] Pendant les essais moteurs, il est important de déterminer le jeu radial existant entre l'extrémité des léchettes 11 ou l'extrémité radialement externe des aubes 10 et les éléments abradables 20, car maîtriser ce jeu à une valeur minimale en fonctionnement permet d'améliorer le rendement de la turbine. [0011] Cette mesure de jeu est généralement effectuée à l'aide d'un capteur de type capacitif 2 100121 Le principe de fonctionnement d'un capteur capacitif est rappelé ci-après en liaison avec la figure 2 jointe. 11 est basé sur celui d'un condensateur plan. [0013] La première électrode cl du condensateur plan correspond à l'électrode du capteur capacitif et la deuxième électrode c2 correspond à la cible mobile. Le capteur capacitif est installé dans l'élément abradable 20 et l'électrode c2 est ici constituée par l'extrémité radiale de l'aube 10 mobile en rotation. La capacité mesurée C est égale à r.O.Er.S/d, avec RO représentant la permittivité de l'air, E r la permittivité relative du diélectrique présent entre les deux électrodes cl et c2, S la surface d'interaction entre le capteur et la cible et d la distance entre les électrodes cl et c2. [0014] Lorsque l'aube 10, qui joue ici le rôle de deuxième électrode c2, passe devant la première électrode du capteur, la distance d est minimale et donc la capacité C est maximale. Lorsque l'aube s'éloigne, la capacité C diminue. La variation de la capacité se traduit par une variation de la tension entre les deux électrodes en fonction du temps (la deuxième électrode cible étant à un potentiel nul). Ceci permet de mesurer le jeu d existant entre l'électrode du capteur capacitif et l'extrémité de l'aube. [0015] Dans l'état actuel de la technique, le capteur capacitif est intégré (rajouté) dans un secteur angulaire d'élément abradablc. La figure 3 jointe illustre un exemple de mise en oeuvre de cette intégration. Une découpe 21 est réalisée dans l'élément abradable 20, afin de former un logement de réception d'un capteur capacitif 22. Ce capteur capacitif 22 comprend une électrode 23 entourée d'un isolant 24. [0016] Cette technique présente les inconvénients d'une part, de devoir modifier l'élément abradable 20 d'origine par la réalisation de la cavité 21 et d'autre part, de creuser la structure même de l'élément abradable, lors du soudage du capteur, ce qui nuit à la performance de la turbine. Exposé de l'invention [0017] Il est souhaitable que ces capteurs capacitifs soient de plus en plus miniaturisés, afin d'une part de s'intégrer au mieux dans de petits encombrements, et d'autre part d'influencer le moins possible le comportement du rotor mesuré. Cette problématique est très présente dans les turbines et plus spécifiquement dans les turbines basse pression. [0018] A cet effet, l'invention concerne un capteur capacitif destiné à la mesure de jeu dans une turbomachine. [0019] Conformément à l'invention, ce capteur capacitif comprend une structure alvéolaire de mesure, à plusieurs alvéoles, formées par des puits débouchant sur une face de mesure, cette structure alvéolaire de mesure étant réalisée dans un matériau électriquement conducteur, et dans lequel la structure alvéolaire de mesure forme une première électrode dudit capteur capacitif. 3 100201 De façon avantageuse, ce capteur capacitif comprend un matériau électriquement isolant qui s'étend autour de la structure alvéolaire de mesure en formant une boucle fermée sur elle-même qui délimite cette structure alvéolaire de mesure. [0021] L'invention concerne également un élément abradable d'une turbine de tur- bomachine, configuré pour coopérer avec des aubes d'un rotor. [0022] Conformément à l'invention, l'élément abradahlc comprend au moins un capteur capacitif tel que précité, dont la structure alvéolaire de mesure forme unc première électrode dudit capteur capacitif. [0023] Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : [0024] - l'élément abradable comprend une structure alvéolaire d'étanchéité qui entoure la structure alvéolaire de mesure ; [0025] - la structure alvéolaire de mesure et la structure alvéolaire d'étanchéité sont réalisées dans un matériau de type nid d'abeille dont les alvéoles en forme de puits présentent une section transversale de préférence de forme hexagonale ; [0026] - la boucle fermée de matériau électriquement isolant présente unc forme générale rectangulaire dans le plan de la face de mesure ; [0027] - ledit capteur capacitif est un capteur de mesure du jeu radial existant entre la face de mesure de la structure alvéolaire de mesure et le sommet des aubes du rotor, la structure alvéolaire formant unc première électrode du capteur capacitif destinée à coopérer avec une deuxième électrode du capteur capacitif formée par le sommet des aubes du rotor ; [0028] - l'élément abradable comprend deux capteurs capacitifs ayant chacun une première électrode respective délimitée par une boucle fermée de matériau électriquement isolant ; [0029] - la première électrode de chacun des deux capteurs capacitif présente une forme générale rectangulaire dans le plan de la face de mesure, et ces deux premières électrodes sont disposées côte à côte en formant un angle non nul entre elles ; [0030] - l'élément abradable est fabriqué par un procédé de fabrication additive. [0031] L'invention concerne également un ensemble de turbine de turbomachine comprenant une roue de rotor porteuse d'aubes radiales et une virole annulaire de stator qui entoure extérieurement ladite roue de rotor. Conformément à l'invention, ce rotor comprend au moins un élément abradable tel que précité, cet élément abradable étant fixé sur au moins une portion angulaire de la face interne de ladite virole annulaire, de façon à être au contact du sommet desdites aubes radiales. Brève description des dessins [0032] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en reeard des dessins annexés sur lesquels : [0033] [fig.1] est une vue en coupe axiale d'une partie d'une turbine. [0034] [fig.2] est une représentation schématique d'un capteur capacitif [0035] [fig.3] est une vue en perspcctivc d'une partie d'un élément abradable muni d'un capteur capacitif selon l'état de la technique. [0036] [fig.4] est une vue en coupe d'un élément abradable conforme à l'invention, prise selon le plan de coupe schématisé par la ligne IV-IV en figure 5. [0037] [fig.5] est une vue de détail en perspective d'une partie du capteur capacitif et de l'élément abradable conforme à l'invention, représentés sur la figure 6. [0038] [fig.6] est une vue en perspcctivc d'un capteur capacitif conforme à l'invention, selon un premier mode de réalisation de celui-ci et d'une partie de l'élément abradable dans lequel il est intégré. [0039] [fig.7] est une vue en perspcctivc représentant une variante de réalisation de capteurs capacitifs intégrés dans un élément abradable selon l'invention. [0040] [fig.8] est une vue en perspcctivc d'un capteur capacitif conforme à l'invention selon une autre variante de réalisation de l'invention. [0041] Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. Description des modes de réalisation [0042] Un exemple de réalisation d'un capteur capacitif conforme à l'invention va maintenant être décrit en liaison avec les figures 4 à 6. [0043] Cc capteur capacitif référencé 5 comprend une première électrode 50 qui présente une structure alvéolaire dite « de mesure ». Cette structure alvéolaire comprend plusieurs alvéoles 51, chaque alvéole étant formée par un puits. Les différents puits s'étendent de préférence parallèlement les uns aux autres, et débouchent sur une face 52 dite « face de mesure » de l'électrode. Cette face de mesure 52 est plane. [0044] La face de la structure alvéolaire opposée à la face 52 est dénommée « face de support » et est référencée 53. Elle est destinée à être portée par la virole de stator. [0045] Par ailleurs, cette structure alvéolaire 50 est réalisée dans un matériau électriquement conducteur, par exemple en métal. [0046] L'électrode 50 est raccordée depuis a face de support 53, à une unité de traitement de données 54, via à un câble 55. [0047] De façon avantageuse, la structure alvéolaire 50 formant l'électrode est réalisée dans un matériau de type nid d'abeilles, dont les différents puits 51 présentent, en section transversale, une forme de préférence hexagonale. Cette forme est visible sur la figure 5. [0048] De façon avantageuse également, la structure alvéolaire (électrode) 50 est réalisé dans un matériau abradable. [0049] La deuxième électrode du capteur capacitif 5 est formée par les extrémités des aubes de la roue de rotor 1 ou par tout autre objet électriquement conducteur passant devant le capteur 5. L'unité 54 permet de fournir une valeur du jeu entre l'électrode et la cible (l'aube 10). [0050] De façon avantageuse, la surface de la première électrode est délimitée par une couche de matériau électriquement isolant 6 qui s'étend autour de la structure alvéolaire 50, en formant une boucle fermée sur elle-même, comme on peut le voir par exemple sur la figure 6. [0051] De préférence, et comme cela apparaît mieux sur la figure 5, cette couche 6 de matériau électriquement isolant est formée à l'intérieur des alvéoles situées à la périphérie de la structure alvéolaire 50 et elle s'étend sur toute la hauteur de la structure alvéolaire 5. [0052] Cc matériau électriquement isolant 6 est par exemple de la céramique. [0053] La boucle fermée en matériau isolant 6 peut présenter tout type de forme, par exemple une forme rectangulaire, comme représenté sur la figure 6, ou la forme d'un rectangle dont chaque bord longitudinal est incurvé en forme de S, comme représenté sur la figure 8. [0054] De façon avantageuse, le capteur capacitif 5 précité est intégré dans un élément abradable 7, destiné à être disposé sur la virole annulaire 2 en regard de la roue de rotor 1 d'une turbine de turbomachine. Dans ce cas, la structure alvéolaire de mesure 50, qui forme la première électrode, fait partie intégrante de la structure alvéolaire 70 qui forme l'élément abradable 7. De façon avantageuse, la structure alvéolaire 50 est réalisée dans un matériau abradable. De préférence, la couche de matériau isolant 6 l'est également. [0055] Par « matériau abradable », on entend un matériau qui va s'user plus facilement que celui constituant les aubes 10. [0056] De façon avantageuse, la structure alvéolaire de l'élément abradable 7 comprend une série d'alvéoles 71, chaque alvéole étant formée par un puits. Ces puits 71 sont de préférence parallèles entre eux et débouchent sur une face d'étanchéité qui est la face radialement interne 72 de l'élément abradable 7, c'est-à-dire la face destinée à être en regard des aubes 10 lorsque l'élément abradable 7 est monté sur la virole annulaire 3. [0057] De préférence également, la structure alvéolaire de l'élément abradable 7 est un matériau du type nid d'abeilles à alvéoles de section transversale hexagonale. De préférence, ce matériau est métallique. [0058] La face radialement interne 72 s'étend dans le même plan que la face de mesure 52 de l'électrode du capteur capacitif 5. [0059] De préférence également, la première électrode 50 du capteur capacitif 5 est entourée 6 par la structure alvéolaire 70 de l'élément abradable 7 et la couche de matériau isolant 6 forme la délimitation entre les deux structures. [0060] De préférence, la couche de matériau électriquement isolant 6 est formée sur toute la hauteur des puits de l'élément abradable qui entourent les puits formant l'électrode 50, comme cela apparaît mieux sur la figure 4. [0061] De plus, et comme on peut le voir sur la figure 5, la couche de matériau isolant 6 s'étend soit sur la totalité de l'aire d'une alvéole, soit sur une partie seulement de celle-ci. [0062] De préférence, l'électrode 50 du capteur capacitif 5 conforme à l'invention ainsi que l'élément abradablc 7 peuvent être fabriqués par une technique de fabrication additive hi-matériaux (à savoir un matériau électriquement conducteur pour l'électrode 50 et l'élément 7 et un matériau électriquement isolant pour la boucle 6). [0063] La boucle de matériau isolant 6 (et donc l'électrode 50 qu'elle délimite) peut prendre différentes formes dans le plan de la face de mesure 52 : par exemple rectangulaire (voir figures 6 et 7) ou incurvée en S (voir figure 8). [0064] Tl est également possible d'avoir plusieurs boucles fermées 6, par exemple deux sur la figure 7. Dans l'exemple de la figure 7, les deux boucles 6 sont rectangulaires et forment un angle non nul entre-elles. [0065] Les éléments abradables sont généralement fabriqués sous forme de secteurs an- gulaires qui sont ensuite fixés sur la virole annulaire 2 de la turbine 1 de turbomachine décrite précédemment. [0066] Grâce à l'invention, il est possible également de fabriquer un anneau d'étanchéité avec les secteurs angulaires dans lesquels il est nécessaire d'avoir un capteur capacitif 5 comme décrit ci-dessus et de fabriquer les autres secteurs angulaires de l'anneau d'étanchéité de façon traditionnelle. [0067] L'invention permet également d'augmenter la durée de vie du capteur capacitif 5 puisque celui-ci est intégré directement dans l'élément abradable 7 et ne peut pas être perdu, contrairement à ce qui pouvait survenir avec la technique de l'art antérieur dans laquelle les capteurs étaient rapportés dans l'élément abradable. On évite également le risque de dommages causés par des débris d'objets étrangers dans la turbine. [0068] Notamment, la formation d'une électrode directement à l'intérieur d'un élément abradable permet d'améliorer l'étanchéité d'un élément abradable pourvu de capteurs de mesure. Le niveau d'étanchéité obtenu est plus élevé qu'avec la technologie des capteurs rapportés de l'état de la technique, puisque l'utilisation de ces capteurs nécessitait la formation de cavités à l'intérieur de l'élément abradable pour l'implantation de ces capteurs. [0069] De plus, le temps nécessaire à la mise en place et à la fixation d'un capteur rapporté comme dans l'état de la technique disparaît. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] REVENDICATIONSCapteur capacitif (5) destiné à la mesure de jeu dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend : une structure alvéolaire de mesure (50), à plusieurs alvéoles (51), formées par des puits débouchant sur une face de mesure (52) cette structure alvéolaire de mesure (50) étant réalisée dans un matériau électriquement conducteur, et dans lequel la structure alvéolaire de mesure (50) forme une première électrode dudit capteur capacitif. Capteur capacitif selon la revendication 1, comprenant un matériau électriquement isolant (6) qui s'étend autour de la structure alvéolaire de mesure (50) en formant une boucle fermée sur elle-même qui délimite cette structure alvéolaire de mesure. Elément abradable (7) d'une turbine de turbomachine, configuré pour coopérer avec des aubes (10) d'un rotor, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur capacitif (5) selon la revendication 2 dont la structure alvéolaire de mesure (50) forme une première électrode dudit capteur capacitif. Elément abradable (7) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une structure alvéolaire d'étanchéité (70) qui entoure la structure alvéolaire de mesure (50). Elément abradable (7) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure alvéolaire de mesure (50) et la structure alvéolaire d'étanchéité (70) sont réalisées dans un matériau de type nid d'abeille dont les alvéoles (51, 71) en forme de puits présentent une section transversale de préférence de forme hexagonale. Elément abradable (7) selon tune des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la boucle fermée de matériau électriquement isolant (6) présente une forme générale rectangulaire dans le plan de la face de mesure (52). Elément abradable (7) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit capteur capacitif (5) est un capteur de mesure du jeu radial existant entre la face de mesure (52) de la structure alvéolaire de mesure (50) et le sommet des aubes (10) du rotor, la structure alvéolaire formant une première électrode du capteur capacitif destinée à coopérer avec une deuxième électrode du capteur capacitif formée par le sommet des aubes du rotor. 8 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] Elément abradablc (7) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux capteurs capacitifs (5) ayant chacun une première électrode respective délimitée par une boucle fermée (6) de matériau électriquement isolant. Elément abradablc (7) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première électrode de chacun des deux capteurs capacitif présente une forme générale rectangulaire dans le plan de la face de mesure (52) et en ce que ces deux premières électrodes sont disposées côte à côte en formant un angle non nul entre elles. Elément abradablc (7) selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé de fabrication additive. Ensemble de turbine de turbomachine comprenant une roue de rotor (1) porteuse d'aubes radiales (10) et une virole annulaire (2) de stator qui entoure extérieurement ladite roue de rotor, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément abradable selon l'une des revendications 3 à 10, cet élément abradable étant fixé sur au moins une portion angulaire de la face interne de ladite virole annulaire, de façon à être au contact du sommet desdites aubes radiales.