Brevet FR3098910A1 — publié le 20210122

Description Titre de l'invention : PROJECTILE CHAUFFÉ POUR UN BANC D'ESSAI DE REPRODUCTION D'UNE INTERACTION DANS UNE TURBOMACHINE D'AERONEF Domaine technique de l'invention 100011 La présente invention concerne un projectile chauffé pour un banc d'essai de re- production d'une interaction entre un rotor et un revêtement abradable d'une turbomachine d'aéronef. Le rotor est par exemple un bout d'aube simplifié pour se dédouaner de la dynamique du moteur et de la dynamique d'aube. Arrière-plan technique [0002] Dans une turbomachine d'aéronef, des interactions, c'est-à-dire des touches ou des contacts, peuvent intervenir entre un rotor et un stator. C'est par exemple le cas entre un rotor et un revêtement abradable de stator et plus exactement entre une aube de rotor et un tel revêtement. [0003] La figure 1 montre un exemple d'interaction entre un rotor de soufflante 10 et le re- vêtement annulaire 12 en matériau abradable qui entoure ce rotor 10 et qui est porté par un carter de soufflante 14. Le rotor 10 comprend plusieurs aubes de soufflante 16 dont les extrémités radialement externes (par rapport à l'axe X de rotation du rotor) peuvent toucher le revêtement abradable 12 (figure 2). [0004] 11 est important de connaître avec précision les phénomènes qui ont lieu lors de ces interactions et leurs conséquences sur les pièces et la santé matière. La connaissance du comportement thermomécanique des matériaux abradables est un enjeu crucial dans le développement de turbomachines toujours plus performantes et fiables. [0005] 11 existe donc un besoin de reproduire en laboratoire de telles interactions en vue d'effectuer des tests et analyses. [0006] Dans une turbomachine, ce type d'interaction peut avoir lieu dans des conditions de température et de pression très variées. La température à laquelle les interactions entre un rotor de soufflante et un revêtement abradable ont lieu est nettement inférieure à celle à laquelle les interactions entre un rotor de compresseur et un revêtement abradahlc ont lieu. [0007] Il existe donc également un besoin de reproduire des conditions, en particulier en température, qui soient les plus proches de celles qui interviennent dans une turbomachine d'aéronef en fonctionnement. [0008] La présente invention propose une solution à ce besoin, qui est simple, efficace et économique. Résumé de l'invention 2 [0009] L'invention concerne un projectile pour un banc d'essai, cc projectile étant configure pour être déplacé à une vitesse prédéterminée dans le banc d'essai pour reproduire une interaction entre un rotor et un revêtement abradable d'une turbomachine d'aéronef, cc projectile comportant une couche de matière abradable destinée à représenter ledit revêtement abradable, caractérisé en cc qu'il comprend une cartouche de chauffage configurée pour chauffer ladite couche à une température prédéterminée [0010] La cartouche de chauffage permet de chauffer avantageusement in situ la couche jusqu'à une température proche ou correspondant à une température réelle à laquelle interviennent les interactions précitées en fonctionnement de la turbomachine. [0011] Le projectile selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : [0012] - le projectile comprend en outre une éprouvette de support de la couche de matière abradable et de chauffage de ladite couche, cette éprouvette étant portée par le projectile et comportant un logement dans lequel ladite cartouche est montée ajustée ; [0013] - ladite éprouvette a une forme allongée le long d'un axe, ledit logement et ladite couche ayant également une forme allongée le long du même axe ; [0014] - ladite cartouche a une forme générale cylindrique et comprend au moins un fil résistif noyé dans une céramique ; [0015] - ladite cartouche est configurée pour chauffer ladite couche à une température su- périeure ou égale à 500°C. [0016] La présente invention concerne également un banc d'essai pour la reproduction d'une interaction entre un rotor et un revêtement abradable d'une turbomachine d'aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend : [0017] - un canon tubulaire de forme allongée et comportant un alésage interne, [0018] - un projectile tel que démit ci-dessus, qui est configuré pour être déplacé à une vitesse prédéterminée dans ledit alésage, le long d'un axe d'allongement du canon, [0019] - un système de tir configuré pour déplacer ledit projectile à ladite vitesse, et [0020] - un organe d'interaction porté par ledit canon et destinée à représenter ledit rotor et à venir au contact de ladite couche lors d'un déplacement du projectile. [0021] Le banc est ainsi conçu pour réaliser une interaction entre une couche abradable et un organe qui reproduit au mieux une interaction entre un rotor et un revêtement abradable dans une turbomachine. [0022] Le banc d'essai selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : [0023] - le banc comprend en outre un rail s'étendant longitudinalement dans l'alésage et comportant au moins une surface longitudinale de guidage dudit projectile lors de son 3 déplacement ; [0024] - ledit canon a une surface cylindrique interne définissant ledit alésage, ledit mil ayant en section transversale une forme sensiblement semi-circulaire complémentaire de la forme en section de l'alésage, et ledit projectile ayant en section transversale une forme sensiblement semi-circulaire complémentaire de la forme en section du reste de l'alésage ; [0025] - le rail comprend des évidements longitudinaux de passage de fils électriques derac- cordement de ladite cartouche à un système de régulation de sa température ; [0026] - le système de tir est du type à gaz sous pression ; [0027] - l'organe d'interaction est situé dans une chambre d'interaction du banc qui comprend en outre un capteur de mesure de la température de ladite couche (la mesure par ce capteur étant de préférence réalisée sans contact en condition dynamique), et/ou une caméra de prise d'images à ladite vitesse, et/ou un capteur piézoélectrique de mesure d'efforts au cours de l'interaction. Cc dernier capteur peut permettre de visualiser l'évolution temporelle des efforts au cours de l'interaction, et donc en fonction des températures testées, et de visualiser l'effet du paramètre température sur le comportement mécanique du revêtement. Brève description des figures [0028] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : [0029] [fig.1] la figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'une tur- bomachine, et en particulier de sa soufflante, [0030] [fig.2] la figure 2 est une vue très schématique représentant une interaction dans un banc d'essai, cette interaction étant destinée à représenter une interaction entre une aube de rotor et un revêtement abradable, [0031] [fig.3] la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un banc d'essai selon un mode de réalisation de l'invention, [0032] [fig.4] la figure 4 est une vue schématique en perspective et avec arrachement partiel d'un canon du banc d'essai de la figure 3, un projectile et un rail de guidage de cc projectile étant notamment visibles dans le canon, le projectile étant en position chargée, prête au tir, [0033] [fig.5] la figure 5 est une vue schématique de face du projectile de la figure 4, [0034] [fig.6] la figure 6 est une vue très schématique d'une cartouche de chauffage pour un banc d'essai selon l'invention, et [0035] [fig.7] la figure 7 est une vue schématique en perspective et avec arrachement partiel d'une chambre d'interaction du banc d'essai de la figure 3. Description détaillée de l'invention [0036] Les figures 1 et 2 ont été décrites dans ce qui précède. [0037] Les figures 3 à 7 montrent un mode de réalisation d'un banc d'essai 20 pour la re- production d'une interaction entre un rotor et un revêtement abradable d'une turbomachine d'aéronef (ligure 3). [0038] Dans une turbomachine, l'interaction ou le contact entre un rotor et un revêtement abradable a lieu de façon circulaire. Il est important de souligner le fait que le banc d'essai 20 recrée lui un contact « linéaire » et non « circulaire ». Les avantages sont multiples mais le plus important est le suivant : lors de la reproduction d'une interaction, le revêtement abradable est affecté une unique fois. Au contraire, dans certains autres bancs l'aube touche plusieurs fois le même revêtement abradable. [0039] Lc rotor est ici représenté par un organe d'interaction 22 qui est fixe dans le repère du banc 20 (figures 2 et 7). Le revêtement abradable est représenté par une couche abradable 24 qui est mobile dans le repère du banc 20 (figures 4 et 5). Lc fait que l'organe 22 soit fixe et que la couche 24 soit mobile, ce qui représente le cas inverse de ce qui se passe dans une turbomachine (le rotor est mobile et le revêtement abradablc est fixe) n'a pas d'impact sur les interactions qui ont lieu et leurs conséquences, l'important étant que les vitesses relatives entre ces éléments et les conditions, notamment de température, d'interactions soient les plus proches de la réalité. [0040] Dans l'exemple représenté, le banc d'essai 20 comprend notamment : [0041] - un canon tubulaire 26 pour le tir d'un projectile 28 qui porte la couche 24, [0042] - une chambre d'interaction 30 dans laquelle est situé l'organe d'interaction 22, et [0043] - un système de tir 27 configure pour déplacer le projectile 28 dans le canon 26 jusqu'à la chambre d'interaction 30 en vue de l'interaction entre la couche 24 et l'organe 22. [0044] Lc canon 26 a une forme allongée le long d'un axe d'allongement A. Il comprend un alésage interne 32 défini par une surface cylindrique interne 32a. [0045] A titre d'exemple, le canon 26 a une longueur de l'ordre de 3m, et un diamètre interne de l'ordre de 30 à 80mm, et de préférence entre 50 et 60mm. Il est par exemple réalisé en céramique. [0046] Un rail 34 de guidage du projectile 28 dans le canon 26 est monté dans l'alésage 32. Ce rail 34 a une forme allongée et s'étend le long de l'axe A. [0047] Le rail 34 a ici une double fonction de guidage du projectile 28 mais aussi d'acheminement de fils électriques 36. [0048] Le rail 34 a en section transversale une forme générale semi-circulaire qui est com- plémentaire d'une partie de l'alésage 32, comme cela est visible dans la figure 4. Le rail 34 comprend une surface plane supérieure 34a de guidage du projectile 28 et une surface cylindrique inférieure 34h complémentaire de la surface 32a. [0049] Le rail 34 comprend un ou plusieurs évidements longitudinaux 38 qui débouchent sur sa surface 34h et qui reçoivent les fils 36 précités. Ces évidements 38 sont fermés par la surface 32, comme cela est visible également à la figure 4. [0050] Les fils 36 s'étendent entre le projectile 28 et plus exactement entre une cartouche de chauffage 40 portée par le projectile 28 et un système 42 de régulation de la température de cette cartouche 40. [0051] Le projectile 28 est configuré pour être déplacé dans le canon 26 à une vitesse élevée, typiquement supérieure ou égale à 100m/s. Ce déplacement est assuré par le système 27, qui est par exemple un système générant un gaz sous pression, typiquement supérieure ou égale à 200 bars, voire 300 bars. [0052] Lorsque le canon 26 est alimenté par cc gaz sous pression, le projectile 28 se déplace à grande vitesse en étant guidé par le rail 34, et en particulier sa surface 34a, ainsi que par la surface 32a. [0053] Le projectile 28 a une forme générale allongée le long de l'axe A. Dans l'exemple re- présenté, il a en section transversale une forme générale semi circulaire et est configuré pour occuper l'espace de l'alésage 32 laissé libre par le rail 34. [0054] Le projectile 28 est par exemple réalisé en aluminium ou en inox 304. [0055] Le projectile 28 comprend ainsi une surface plane inférieure 28a qui est destinée à glisser sur la surface 34a et une surface cylindrique supérieure 28h qui est destinée à glisser sur la surface 32a. [0056] Le diamètre de cette forme semi-circulaire peut être mesuré pour différentes tem- pératures sur une installation spécifique. L'objectif est d'usiner la surface cylindrique 28b en retranchant sa dilatation pour garantir un jeu fonctionnel le plus faible possible mais aussi minimiser le risque de coincer le projectile lors du tir. [0057] Les surfaces 28a, 28b peuvent être interrompues, comme dans l'exemple représenté où le projectile 28 comprend une partie médiane amincie. Ceci permet d'alléger la masse du projectile et permet un tir à haute énergie. De plus, cet amincissement permet de ne pas surcontraindre le projectile en limitant au strict minimum la surface 28b en contact avec la surface 32a. [0058] Le projectile 28 comprend un logement longitudinal 44 de réception d'une éprouvette 46 de support de la couche abradable 24. Le logement 44 s'étend sur une majeure partie de l'étendue longitudinale du projectile 28 et débouche à une extrémité amont ou avant du projectile par rapport à la direction de déplacement du projectile indiquée par la flèche F. [0059] L'éprouvette 46 a une forme générale allongée le long de l'axe A et est sensiblement parallélépipédique. Elle comprend une surface supérieure 46a de fixation de la couche 24. Des surfaces longitudinales 46b de l'éprouvette 46 sont en appui contre des parois 6 du logement 44 afin de caler sans jeu l'éprouvette dans ce logement. Le calage est ici réalisé par des cales 47, par exemple en mica, d'épaisseurs prédéterminées (figure 5). [0060] L'éprouvette 46 est retenue en direction longitudinale dans le logement 44 par l'intermédiaire de vis 48 qui sont vissées à travers des orifices 50 du projectile 28 dans des trous taraudés 52 de l'éprouvette. Les orifices 50 débouchent sur la surface 28a du projectile 28 et les trous 52 sont situés sur une surface inférieure 46c du projectile 46. Chaque vis 48 a sa tête 48a en appui sur une première rondelle 54, par exemple en acier, elle-même en appui sur une seconde rondelle 56 par exemple en mica, qui prend appui sur le projectile 28. [0061] L'éprouvette 46 est par exemple réalisée en inconcl 718, en aluminium ou en titane et les cales 47 et la rondelle 52 en mica peuvent permettre de limiter le transfert de chaleur par conduction depuis l'éprouvette 46 vers le projectile 28. Les cales 47 et la rondelle 52 ont par exemple chacune une épaisseur de l'ordre de 2mm. [0062] L'éprouvette 28 comprend un logement 28c de réception de la cartouche de chauffage 40. Dans l'exemple représenté, le logement 28c est cylindrique et est de préférence réalisé par perçage. La cartouche 40 est également cylindrique et montée de manière ajustée dans le logement. Le montage ajustée (avec un jeu inférieur ou égal à 0,05mm par exemple) est important pour optimiser le transfert de chaleur par conduction depuis la cartouche 40 jusqu'à la couche 24. [0063] Le logement 28c s'étend de préférence sur l'intégralité de l'étendue longitudinale de l'éprouvette 28 et la cartouche 40 peut s'étendre également sur cette étendue, voire même au-delà. Comme représenté dans le dessin, elle peut effectivement avoir une première extrémité longitudinale libre 40a qui est en saillie sur une surface avant 46d de l'entretoise 46. Son extrémité longitudinale 40b opposée est alors reliée aux fils 36. Du côté de cette extrémité de la cartouche 40, le projectile 28 comprend une rainure supérieure 58 alignée en direction longitudinale avec la couche 24. [0064] La longueur du logement 28c est largement supérieure au diamètre de la cartouche 40. Un tel logement peut être réalisé par un procédé d'électroérosion au fil pour garantir une tolérance très fine et permettre à la cm-touche de transmettre son flux de chaleur de façon optimale à l'éprouvette. [0065] La cartouche 40 a par exemple une longueur comprise entre 100 et 200mm, et de préférence entre 130 et 160mm. Elle a par exemple un diamètre compris entre 0,3 et 1cm, et de préférence entre 0,5 et 0,8cm [0066] La cartouche 40 peut comprendre au moins un fil chauffant 60 du type résistif, organisé par exemple en spires, qui est noyé dans un alliage métallique tel que du Alloy 800 (figure 6). [0067] La cartouche 40 comprend en outre un thermocouple 62 de type K noyé dans l'alliage, qui permet de mesurer la température de chauffage jusqu'à des valeurs très 7 importantes supérieures à 1000°C. Le thermocouple 56 et le(s) fil(s) 60 sont reliés par les fils 36 précités au système de régulation 42. [0068] Le branchement des fils 36 à la cartouche 40 est effectué de manière à être un point fusible et à se rompre lors de la mise en mouvement du projectile 28. Un transformateur d'isolement peut permettre d'assurer la sécurité des personnes en cas de contact entre les fils 36 et le canon 26 (isolation galvanique). Les fils 36 peuvent être revêtus de téflon. [0069] La cartouche 40 est de préférence configurée pour chauffer la couche 24 à une tem- pérature supérieure ou égale à 500°C et par exemple de l'ordre de 750 °C - 850 °C, qui correspond à la température de fonctionnement d'un compresseur haute pression. [0070] Cette cartouche 40 peut, selon les cas, posséder une puissance de chauffe répartie en plusieurs zones pour minimiser les variations de température de l'éprouvette 28. La régulation en température de l'éprouvette est réalisée à l'aide du thermocouple 62 localisé dans la cartouche chauffante et également de préférence à un régulateur du type PID (Proportionnelle Intégrale Dérivée). La température de l'éprouvette 28 peut également être monitorée à l'aide d'un second thermocouple placé dans ou sur celle-ci. [0071] La couche 24 a une étendue longitudinale correspondant à celle de l'éprouvette 46, et qui est par exemple comprise entre 6 et lOmm. Elle a une épaisseur comprise entre 2 et 4mm et une largeur comprise entre 6 et lOmm. [0072] La couche 24 est par exemple une céramique obtenue par projection plasma. [0073] En référence à la figure 7, l'organe d'interaction 22 est par exemple un simulacre d'aube de rotor et est porté par un support 64 relié à un capteur piézoélectrique 66 de mesure d'efforts. Ce capteur 66 permet de visualiser l'évolution temporelle des efforts au cours de l'interaction, et donc en fonction des températures testées, et en outre de visualiser l'effet du paramètre température sur le comportement mécanique du matériau. L'organe 22 est positionné dans le canon 26 de façon à être dans la trajectoire de déplacement du projectile 28, et en particulier de la couche 24 qu'il porte. [0074] La chambre d'interaction 30 dans laquelle est logée le support 58 peut comprendre : [0075] - une pompe 68 (ou un orifice relié à cette pompe) pour la mise sous vide de la chambre, [0076] - un capteur 70 du type pyromètre pour la mesure de la température de la couche 24 portée par le projectile 28 lors de l'arrivée de ce dernier dans la chambre 30, et [0077] - une caméra 72 de prise de vues lors de l'interaction entre la couche 24 et l'organe 22. [0078] Le capteur 70 peut comprendre un ou plusieurs pyromètres monochromatiques fibrés mesurant sur des gammes spectrales spécifiques. Il s'agit de dispositifs de mesure de la température sans contact en condition dynamique. [0079] Le banc 20 selon l'invention peut fonctionner de la façon suivante. La chambre 8 d'interaction 30 est mise sous vide et l'organe 22 est disposé dans cette chambre. La chambre 30 est située à une extrémité longitudinale du canon 26 et le projectile 28 est disposé à l'extrémité opposée du canon, du coté du système de tir 27. Le projectile 28 porte une éprouvette 46 équipée d'une couche 24 et d'une cartouche de chauffage 40 reliée au fils 36. Le chauffage de la cartouche 40 est activé, ce qui permet de chauffer la couche 24 par conduction. La température est régulée à une valeur prédéterminée et le tir du projectile peut avoir lieu. Le système 27 est actionné cc qui libère un flux de gaz sous pression dans le canon 26 et entraîne un déplacement à grande vitesse du projectile 28 dont la couche 24 vient impacter l'organe 22 (figure 2). Avant cet impact, le projectile 28 s'est désolidarisé des fils 36. L'organe 22 interagit avec une épaisseur de la couche 24 qui est inférieure à l'épaisseur de cette couche. Le projectile 28 finit sa course en aval du support 58 et l'organe 22 sortant de la couche 24 passe ensuite à travers la rainure 53 précitée. Le projectile 28 et tous les éléments qu'il porte sont à usage unique car ils sont détériorés à chaque test. L'analyse de la couche 24 après interaction permet d'avoir accès à un grand nombre d'informations utiles pour mieux comprendre les phénomènes qui interviennent dans une turbomachine, et les conséquences de ces phénomènes. 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Projectile (28) pour un banc d'essai (20), ce projectile étant configuré pour être déplacé à une vitesse prédéterminée dans le banc d'essai pour reproduire une interaction entre un rotor et un revêtement abradable d'une turbomachine d'aéronef, ce projectile comportant une couche (24) de matière abradable destinée à représenter ledit revêtement abradable, caractérisé en ce qu'il comprend une cartouche de chauffage (40) configurée pour chauffer ladite couche à une température prédéterminée. [Revendication 2] Projectile (28) selon la revendication 1, dans lequel il comprend en outre une éprouvette (46) de support de la couche de matière abradable et de chauffage de ladite couche (24), cette éprouvette étant portée par le projectile (28) et comportant un logement (44) dans lequel ladite cartouche (40) est montée ajustée [Revendication 3] Projectile (28) selon la revendication précédente, dans lequel ladite éprouvette (46) a une forme allongée le long d'un axe, ledit logement (44) et ladite couche (40) ayant également une forme allongée le long du même axe. [Revendication 4] Projectile (28) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite cartouche (40) a une forme générale cylindrique et comprend au moins un fil résistif noyé dans une céramique. [Revendication 5] Projectile (28) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite cartouche (40) est configurée pour chauffer ladite couche (24) à une température supérieure ou égale à 500°C. [Revendication 6] Banc d'essai pour la reproduction d'une interaction entre un rotor et un revêtement abradable d'une turbomachine d'aéronef, comportant : - un canon (26) tubulaire de forme allongée et comportant un alésage interne (32), - un projectile (28) selon l'une des revendications précédentes, qui est configuré pour être déplacé à une vitesse prédéterminée dans ledit alésage, le long d'un axe d'allongement du canon, - un système de tir (27) configuré pour déplacer ledit projectile à ladite vitesse, et - un organe d'interaction (22) porté par ledit canon et destiné à représenter ledit rotor et à venir au contact de ladite couche lors d'un déplacement du projectile. [Revendication 7] Banc d'essai (20) selon la revendication précédente, dans lequel il comprend en outre un rail (34) s'étendant longitudinalement dans 10 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] l'alésage (32) et comportant au moins une surface longitudinale (34a) de guidage dudit projectile (28) lors de son déplacement. Banc d'essai (20) selon la revendication précédente, dans lequel ledit canon (28) a une surface cylindrique interne définissant ledit alésage (32), ledit rail (34) ayant en section transversale une forme sensiblement semi-circulaire complémentaire de la forme en section de l'alésage, et ledit projectile (28) ayant en section transversale une forme sensiblement semi-circulaire complémentaire de la forme en section du reste de l'alésage. Banc d'essai (20) selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le mil (32) comprend des évidements longitudinaux (38) de passage de fils électriques (36) de raccordement de ladite cartouche (40) à un système (42) de régulation de sa température. Banc d'essai (20) selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le système de tir (27) est du type à gaz sous pression. Banc d'essai (20) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'organe d'interaction (22) est situé dans une chambre d'interaction (30) du banc qui comprend en outre : - un capteur (70) de mesure à distance de la température de ladite couche (24), et/ou - une caméra (72) de prise d'images à ladite vitesse, et/ou - un capteur piézoélectrique (66) de mesure d'efforts au cours de l'interaction.