Brevet FR3123718A1 — publié le 20221209

L’invention concerne un dispositif (50) de détermination des modes propres d’un élément (22) de turbomachine comportant des aubes (34), le dispositif comportant : un système (52) de mesure des déformations d’au moins une aube (34) configuré pour délivrer des informations représentatives desdites déformations des aubes, le système de mesure comportant au moins un capteur des déformations (54) agencé sur la au moins une aube; un système de génération (60) configuré pour générer un bruit blanc (62) sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ; une unité de traitement (70) configurée pour déterminer l’évolution des modes propres réels (MPR) de l’aube en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc. Figure pour l'abrégé : Figure 4 DISPOSITIF DE DETERMINATION DES MODES PROPRES D’UN ELEMENT DE TURBOMACHINE PAR EMISSION D’UN BRUIT BLANC ET DISPOSITIF DE CARACTERISATION VIBRATOIRE DE L’ELEMENT Le domaine de la présente invention est celui des moteurs aéronautiques et plus particulièrement celui des turbomachines. En particulier, l’invention concerne un dispositif et un procédé de détermination des modes propres réels d’une pièce d’un élément de turbomachine par émission d’un bruit blanc, notamment d’une aube d’un élément de turbomachine. L’invention concerne également un dispositif de caractérisation vibratoire d’une pièce d’un élément de turbomachine comprenant un tel dispositif de détermination des modes propres et le procédé de caractérisation vibratoire correspondant. De manière classique, une turbomachine d’un aéronef comprend d’amont en aval, dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Les turbines haute pression et basse pression entraînent respectivement les compresseurs haute pression et basse pression par l'intermédiaire d'arbres d'entraînement en prélevant de la puissance sur les gaz en sortie de la chambre de combustion. Chaque turbine récupère en outre une partie de l'énergie issue de la combustion des gaz pour le fonctionnement de la soufflante et des accessoires. Chacune des turbines de telles machines comprennent typiquement plusieurs étages comportant chacun une rangée annulaire, ou couronne, d'aubes fixes portées par un carter de la turbine et une rangée annulaire d'aubes mobiles montées rotatives autour d'un axe central de rotation. Une couronne d’aubes fixes est également appelée distributeur de turbine tandis qu’une couronne d’aubes mobiles est appelée rotor de turbine. En fonctionnement, les pièces tournantes de la turbomachine, et notamment les pales de la soufflante et les aubes mobiles des turbines, sont soumises, à des degrés divers, à des contraintes importantes, qu’elles soient d’ordre mécanique, thermique ou aérodynamique. Ainsi lors du fonctionnement moteur, les pièces peuvent entrer en résonance et se déformer sous l’action de sollicitations internes au moteur tels que des sillages provenant d’obstacles à l’amont dans la veine, du balourd… Ainsi, il est connu lors de la phase de certification de la turbomachine de réaliser sur les aubes mobiles un essai moteur de caractérisation vibratoire, également appelé « stress survey » en anglais, afin d’identifier leurs résonances et de s’assurer que les amplitudes des sollicitations vibratoires qui en résultent restent à des niveaux acceptables. A cet effet, il est connu d’utiliser un dispositif de caractérisation vibratoire comportant des capteurs positionnés sur les pièces mobiles, telles que les aubes mobiles, par exemple des jauges d’extensométrie. Les capteurs permettent de mesurer les déformations réalisées pendant l’essai sur les pièces. Un tel dispositif permet, pour chaque résonance identifiée, de mesurer sa fréquence, le régime de rotation de la turbomachine où elle apparait, et l’amplitude de déformation associée pour chaque résonance. Cette amplitude de déformation peut être convertie en contrainte mécanique subit par la pièce. Généralement, ces informations sont reportées dans un diagramme de Campbell, ou diagramme des fréquences d'interférence, qui représente l'évolution des fréquences propres en fonction de la vitesse de rotation de la turbomachine. En outre, les fréquences des modes propres théoriques, c’est-à-dire calculées par éléments finis, ont été préalablement positionnées dans ce diagramme de Campbell. La illustre un tel exemple de diagramme de Campbell. Avant les essais, le diagramme de Campbell permet d’appréhender les zones (fréquence/régime) où il risque d’y avoir résonance, c’est-à-dire là où il y a coïncidence entre la fréquence d’une harmonique moteur excitatrice et une des fréquences propres de la pièce. Ces coïncidences correspondent aux points d’intersection entre une harmonique excitatrice du moteur et un des modes propres théoriques de la pièce. Sur l’exemple illustré, dix résonances notées P1 à P10, sont prédites. Les résonances P1 et P2 correspondent aux points d’intersection entre la première harmonique excitatrice HE1 et respectivement le premier mode propre théorique MPT1 et le deuxième mode propre théorique MPT2. Les résonances P3 à P6 correspondent aux points d’intersection entre la deuxième harmonique excitatrice HE2 et respectivement les premier, deuxième, troisième et quatrième modes propres théoriques, notés MPT1, MPT2, MPT3 et MPT4. Les résonances P7 à P10 correspondent aux points d’intersection entre la troisième harmonique excitatrice HE3 et respectivement les premier, deuxième, troisième et quatrième modes propres théoriques. Selon l’exemple illustré sur la , quatre réponses vibratoires N1, N2, N3, N4 ont été mesurées pendant l’essai moteur de caractérisation vibratoire. Après les essais et après avoir reporté ces quatre réponses vibratoires sur le diagramme de Campbell illustré sur la , on constate que trois coïncidences sur les dix identifiées au préalable ont bien répondu. De plus, les réponses vibratoires N1, N2, N3 et N4 sont décalées en fréquence par rapport aux fréquences théoriques des modes propres théoriques. En outre, il est possible de mesurer des réponses vibratoires qui ne semble pas correspondre à une coïncidence avec un mode propre. Ainsi, il n’est pas possible de confirmer à quel mode propre correspond chaque réponse vibratoire observée, les modes propres réels n’étant pas visibles sur les mesures. Or, il est impératif d’associer une réponse vibratoire observée au bon mode propre prédit par le calcul par éléments finis pour pouvoir estimer correctement le potentiel vibratoire de l’aubage et ainsi estimer correctement la durée de vie en fatigue vibratoire de la pièce. L’objet de l’invention est de proposer un dispositif et un procédé pour visualiser les modes propres réels et de les corréler avec les modes propres théoriques. A cet effet, l’invention concerne un dispositif de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le dispositif comportant : un système de mesure des déformations d’au moins une aube configuré pour délivrer des informations représentatives desdites déformations des aubes, le système de mesure comportant au moins un capteur des déformations agencé sur la au moins une aube; un système de génération configuré pour générer un bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ; une unité de traitement configurée pour déterminer l’évolution des modes propres réels de l’aube en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc. L’invention permet avantageusement de mettre en résonance volontaire l’aubage de l’élément de turbomachine à un niveau maitrisé, c’est-à-dire sans risque de le faire rompre. En outre, dans la mesure où la puissance est répartie sur toute la bande passante, ce qui est caractéristique d’un bruit blanc, l’invention permet ainsi avantageusement de solliciter l’ensemble des fréquences propres de la pièce, et par conséquent de rendre visible la signature ou trace des modes propres réels sur les mesures pour permettre l’identification des réponses. La trace ou signature des modes propres est l’évolution des fréquences propres des modes propres en fonction du régime de rotation. L’invention permet ainsi de déterminer les modes propres d’un élément de turbomachine et de pouvoir par la suite les visualiser et les corréler avec les modes propres théoriques calculés par éléments finis sur un diagramme de Campbell tel que celui illustré sur la . En outre, l’invention permet de déterminer les modes propres d’une pièce d’un élément de turbomachine, telle qu’un aubage, de manière non invasive vis-à-vis de la pièce étudiée. En effet, il n’y a aucun impact physique sur la pièce, ni même sur ces propriétés, dès lors que la puissance de l’excitation est contrôlée. Le dispositif de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine 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 selon toutes les combinaisons techniquement possibles : les capteurs du système de mesure des déformations de l’aube comporte au moins une jauge d’extensométrie agencée sur l’aube et des moyens de mesure de la résistance de ladite au moins une jauge d’extensométrie, les moyens de mesure étant configurés pour délivrer les informations représentatives desdites déformations de l’aube soumise au bruit blanc ; le système de génération comporte au moins un haut-parleur agencé et configuré pour émettre une onde acoustique en bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction de l’aube équipée d’un capteur des déformations, l’onde acoustique étant adaptée pour faire entrer l’aube en résonance ; l’élément de turbomachine comporte des étages, chacun formé de plusieurs aubes et plusieurs aubes d’un même étage sont équipées de capteurs de déformation et plusieurs haut-parleurs sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube équipée d’un capteur de déformation, de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube équipée d’un capteur des déformations ; au moins deux aubes de deux étages différents sont équipées de capteurs de déformation et plusieurs haut-parleurs sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube de chaque étage équipée d’un capteur de déformation, de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube équipée d’un capteur des déformations ; chaque aube comporte une pale et chaque haut-parleur est orienté en regard d’une surface de la pale d’une aube équipée de façon à ce que le bruit blanc atteigne une majeure partie de la surface de la pale de l’aube, de préférence toute la surface de la pale de l’aube ; l’onde acoustique émise a une puissance différente d’un étage à l’autre de l’élément de turbomachine ; l’élément de turbomachine comporte au moins un disque annulaire sur lequel sont fixés des aubes mobiles et chaque haut-parleur est positionné dans un repère mobile lié au disque annulaire, l’élément de turbomachine étant du type rotor de turbine ou rotor de compresseur ou fan ; les aubes de l’élément de turbomachine sont des aubes fixées à un carter de la turbomachine et chaque haut-parleur est positionné dans un repère fixe lié au carter, l’élément de turbomachine étant du type distributeur de turbine ou redresseur de compresseur ; la puissance de l’onde acoustique émise dépend du type de l’élément de turbomachine ; le système de génération comporte un moyen de désadaptation de l’écoulement du flux d’air autour du profil des aubes par modification du calage des aubes, la désadaptation étant configurée pour faire entrer l’aube en résonance. L’invention concerne également un procédé de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de : génération d’un bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur de déformation, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ; acquisition et conversion des mesures de déformations de l’aube équipée d’un capteur de déformation et recevant le bruit blanc en informations représentatives des déformations ; détermination de l’évolution des fréquences propres réelles de l’aube recevant le bruit blanc en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc. Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le bruit blanc est généré par l’émission d’une onde acoustique par un haut-parleur en direction de l’aube équipée d’un capteur. Alternativement, le bruit blanc peut être généré par désadaptation de l’écoulement du flux d’air autour du profil des aubes de l’élément de turbomachine par modification de leur calage. Le procédé de détermination des modes propres est avantageusement mis en œuvre par un dispositif de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine selon l’invention et tel que décrit précédemment. Un autre objet de l’invention concerne un dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le dispositif comprenant : un système de détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine pendant le fonctionnement de la turbomachine, le système comportant : un système de mesure des déformations d’au moins une aube configuré pour délivrer des premières informations représentatives desdites déformations de l’aube; un moyen d’acquisition de la vitesse de rotation de la turbomachine configuré pour délivrer une deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine ; une unité de traitement configurée pour associer les premières informations représentatives des déformations de l’aube à chaque deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine et déterminer des réponses vibratoires de l’aube à partir des premières et deuxièmes informations ; un dispositif de détermination des modes propres de l’élément tel que décrit précédemment, le dispositif étant configuré pour déterminer les modes propres réels de l’élément de turbomachine ; et une unité de traitement configurée pour associer les réponses vibratoires de l’aube mesurées par le système de détermination des réponses vibratoires à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres. Avantageusement, le dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine comprend en outre une unité de calculs configurée pour calculer l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine et dans lequel l’unité de traitement est configurée pour corréler les modes propres réels avec les modes propres théoriques. Un tel dispositif de caractérisation selon l’invention permet avantageusement de mesurer la réponse vibratoire d’aubes de l’élément de turbomachine en fonction du régime de rotation de la turbomachine tout en déterminant leurs modes propres réels grâce au dispositif de détermination des modes propres tel que décrit précédemment pendant un essai moteur de caractérisation vibratoire. En outre, l’invention permet la superposition sur un même diagramme de Campbell des modes propres théoriques et mesurés permettant ainsi de pourvoir recaler les modes propres théoriques. En outre, l’utilisation du dispositif de détermination des modes propres sur une plage de temps importante, par exemple pendant toute la durée de l’essai, permet d’améliorer la qualité des mesures des modes propres et donc le recalage des modes propres théoriques. Ainsi, l’invention permet avantageusement d’identifier à quel mode propre les réponses vibratoires mesurées correspondent de manière fiable permettant d’estimer au plus juste la durée de vie en fatigue vibratoire de la pièce. L’invention concerne également un procédé de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de : mise en résonance d’au moins une aube de l’élément de turbomachine par rotation de la turbomachine, l’aube étant équipée d’un capteur de déformation ; détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine à partir des mesures des déformations de l’aube ; détermination des modes propres réels de l’élément de turbomachine selon le procédé décrit précédemment ; association des réponses vibratoires de l’aube mesurées à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres. Avantageusement, le procédé comporte en outre les étapes de : calcul de l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine ; et corrélation des modes propres réels avec les modes propres théoriques. Le procédé de caractérisation vibratoire est avantageusement mis en œuvre par un dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine selon l’invention et tel que décrit précédemment. 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 : la est une vue schématique en coupe d'une turbomachine, la est une vue de détail en coupe d'une turbine basse pression de la turbomachine de la comportant quatre étages, la , déjà décrite, est un diagramme de Campbell illustrant les fréquences théoriques des modes propres et les résonances mesurées lors d’un essai moteur de caractérisation vibratoire selon la technique antérieure, la est un schéma de principe d’un dispositif de détermination des modes propres selon un mode de réalisation de l’invention; la est une vue schématique d’une coupe longitudinale d’une turbine basse pression équipée d’un dispositif de détermination des modes propres selon un mode de réalisation de l’invention; et la est un diagramme de Campbell avec superposition des modes propres théoriques, des modes propres mesurés et des réponses vibratoires obtenues au cours d’un essai moteur de caractérisation vibratoire. Dispositif (50) de détermination des modes propres d’un élément (22) de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes (34), le dispositif comportant : un système (52) de mesure des déformations d’au moins une aube (34) configuré pour délivrer des informations représentatives desdites déformations des aubes, le système de mesure comportant au moins un capteur des déformations (54) agencé sur la au moins une aube; un système de génération (60) configuré pour générer un bruit blanc (62) sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ; une unité de traitement (70) configurée pour déterminer l’évolution des modes propres réels (MPR) de l’aube en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les capteurs (54) du système de mesure (52) des déformations de l’aube (34) comporte au moins une jauge d’extensométrie agencée sur l’aube et des moyens de mesure de la résistance de ladite au moins une jauge d’extensométrie, les moyens de mesure étant configurés pour délivrer les informations représentatives desdites déformations de l’aube soumise au bruit blanc. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système de génération (60) comporte au moins un haut-parleur (66) agencé et configuré pour émettre une onde acoustique en bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction de l’aube (34) équipée d’un capteur des déformations (54), l’onde acoustique étant adaptée pour faire entrer l’aube en résonance. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l’élément de turbomachine comporte des étages, chacun formé de plusieurs aubes (34) et dans lequel plusieurs aubes (34) d’un même étage sont équipées de capteurs de déformations (54) et plusieurs haut-parleurs (66) sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube équipée d’un capteur de déformation, (54) de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube (34) équipée d’un capteur des déformations (54). Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel au moins deux aubes (34) de deux étages différents sont équipées de capteurs de déformation et plusieurs haut-parleurs (66) sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube de chaque étage équipée d’un capteur de déformation (54), de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube (34) équipée d’un capteur des déformations (54). Dispositif selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel chaque aube comporte une pale et chaque haut-parleur est orienté en regard d’une surface de la pale d’une aube équipée de façon à ce que le bruit blanc atteigne une majeure partie de la surface de la pale de l’aube, de préférence toute la surface de la pale de l’aube. Dispositif selon l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel l’onde acoustique émise a une puissance différente d’un étage à l’autre de l’élément de turbomachine. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’élément de turbomachine comporte au moins un disque annulaire (36) sur lequel sont fixés des aubes mobiles et dans lequel chaque haut-parleur est positionné dans un repère mobile lié au disque annulaire, l’élément de turbomachine étant du type rotor de turbine ou rotor de compresseur ou fan. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les aubes de l’élément de turbomachine sont des aubes fixées à un carter de la turbomachine et dans lequel chaque haut-parleur est positionné dans un repère fixe lié au carter, l’élément de turbomachine étant du type distributeur de turbine ou redresseur de compresseur. Dispositif selon la revendication précédente 8 ou 9, dans lequel la puissance de l’onde acoustique émise dépend du type de l’élément de turbomachine. Dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine comportant des aubes, le dispositif comprenant : un système de détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine pendant le fonctionnement de la turbomachine, le système comportant : un système de mesure des déformations d’au moins une aube configuré pour délivrer des premières informations représentatives desdites déformations de l’aube; un moyen d’acquisition de la vitesse de rotation de la turbomachine configuré pour délivrer une deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine ; une unité de traitement configurée pour associer les premières informations représentatives des déformations de l’aube à chaque deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine et déterminer des réponses vibratoires de l’aube à partir des premières et deuxièmes informations ; un dispositif de détermination des modes propres de l’élément selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif étant configuré pour déterminer les modes propres réels de l’élément de turbomachine ; une unité de traitement configurée pour associer les réponses vibratoires de l’aube mesurées par le système de détermination des réponses vibratoires à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres. Dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine selon la revendication 11, comprenant une unité de calculs configurée pour calculer l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine et dans lequel l’unité de traitement est configurée pour corréler les modes propres réels avec les modes propres théoriques. Procédé de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de : génération d’un bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur de déformation, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ; acquisition et conversion des mesures de déformations de l’aube équipée d’un capteur de déformation et recevant le bruit blanc en informations représentatives des déformations ; détermination de l’évolution des fréquences propres réelles de l’aube recevant le bruit blanc en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc. Procédé de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine selon la revendication 13, dans lequel le bruit blanc est généré par l’émission d’une onde acoustique par un haut-parleur en direction de l’aube équipée d’un capteur. Procédé de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de : mise en résonance d’au moins une aube de l’élément de turbomachine par rotation de la turbomachine, l’aube étant équipée d’un capteur de déformation ; détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine à partir des mesures des déformations de l’aube ; détermination des modes propres réels de l’élément de turbomachine selon la revendication 13 ou 14 ; association des réponses vibratoires de l’aube mesurées à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres. Procédé de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine selon la revendication 15, comprenant les étapes de : calcul de l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine ; et corrélation des modes propres réels avec les modes propres théoriques.