Brevet FR3127286A1 — publié le 20230324

L’invention concerne un système pour déclencher le fonctionnement d’un dispositif électrique ou électronique intégré dans la partie tournante d’une machine tournante, le système comprenant : - une source laser, pour émettre un faisceau laser d’une longueur d’onde déterminée ; - un détecteur optoélectronique, intégré dans la partie tournante, pour recevoir un signal optique transmis par le faisceau laser, convertir ce signal optique en un signal électrique, et transmettre le signal électrique au dispositif, de manière à déclencher le fonctionnement du dispositif. Le détecteur optoélectronique comprend : - une fibre optique, pour guider des faisceaux lumineux vers un capteur optique sélectif, une première extrémité de la fibre optique étant disposée à la surface de la partie tournante et une deuxième extrémité étant reliée au capteur optique sélectif, la première extrémité et la source laser étant orientées l’une par rapport à l’autre de manière à ce que, au cours d’une rotation complète de la partie tournante, le faisceau laser pénètre au moins une fois dans la première extrémité ; - le capteur optique sélectif, configuré pour recevoir des signaux optiques, sélectionner le signal optique de longueur d’onde déterminée parmi les signaux optiques reçus, convertir le signal optique de longueur d’onde déterminée en un signal électrique apte à déclencher le fonctionnement du dispositif et transmettre le signal électrique au dispositif. Figure pour l’abrégé : aucun Déclenchement par laser d’un dispositif électrique ou électronique situé dans la partie en rotation d’une machine tournante Le domaine de l’invention est celui des essais en rotation de machines tournantes nécessitant le déclenchement d’un dispositif par impulsion électrique. L’invention peut par exemple s’appliquer au cas où le dispositif est un détonateur d’une charge explosive, utilisé dans les essais FBO. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Il existe de nombreux essais en rotation qui nécessitent le déclenchement d’un dispositif par impulsion électrique. Pour rappel, les essais en rotation sont des tests réalisés sur une machine tournante, une machine tournante pouvant être, par exemple, un turboréacteur, une turbine à gaz, une turbine hydraulique, etc. Le type d’essais en rotation le plus représentatif consiste à simuler la rupture d’une aube de soufflante d’un turboréacteur lorsqu’il est à sa pleine puissance. Pour ce faire, une charge explosive est placée au pied d’une aube de la soufflante et, par le biais d’un transformateur tournant qui est intégré dans le turboréacteur, qui reçoit une forte impulsion électrique et qui la transmet à un détonateur relié à la charge explosive, la charge explosive brise le pied de l’aube. Ce type de dispositif de mise à feu (transformateur tournant + détonateur) est notamment utilisé pour les essais dits FBO (pour « Fan Blade Out » en anglais). Pour les essais FBO, le transformateur tournant du dispositif de mise à feu actuel est intégré dans l’élément en test. À titre d’exemple, si l’élément en test est un turboréacteur muni d’un moteur et d’une soufflante, le transformateur est découpé en deux modules, le stator (primaire), qui est fixé sur le corps du moteur, et le rotor (secondaire), qui est fixé sur l’arbre de la soufflante. Pour le procédé de mise à feu avec le dispositif actuel ( ), un système de tir 1 permet d’envoyer une impulsion à fort courant dans le primaire fixe 3 du transformateur tournant 2 ; le secondaire tournant 4 du transformateur tournant récupère le résultat de l’impulsion et l’envoie directement au détonateur 5 raccordé à la charge explosive. La référence 6 représente l’arbre tournant de la machine tournante. Le dispositif de mise à feu actuel présente l’avantage d’avoir un principe de fonctionnement très simple, mais il présente aussi de nombreux inconvénients. Le rendement du transformateur tournant est très faible. Ainsi, pour déclencher le détonateur, il est nécessaire d’injecter un fort courant dans le primaire du transformateur tournant, ce qui a pour conséquence de perturber les mesures de l’élément en test (par exemple, le turboréacteur, dans le cas de tests de rupture d’une aube de soufflante). Par ailleurs, la fabrication du transformateur tournant est délicate et il y a des disparités de rendements d’un transformateur à l’autre. L’intégration du transformateur tournant sur l’élément en test a un impact sur la configuration de l’élément en test. En outre, le transformateur tournant doit être adapté à chaque élément en test. Par exemple, dans le cas d’un turboréacteur, le transformateur tournant doit être adapté à chaque moteur en test et en cas de défaut de celui-ci, son dé-accostage du compresseur basse pression (booster) est très couteux en temps. Par ailleurs, il est nécessaire de mettre en place des câbles conducteurs électriques de grandes longueurs et de section importante dans le banc de test afin de relier le système de tir et le dispositif de mise à feu. Les impacts connus du système de mise à feu actuel (système de tir + dispositif de mise à feu) en cas de problèmes sont nombreux. Par exemple, dans le cas de conducteurs électriques détériorés, la recherche du conducteur endommagé prend du temps et il faut également prendre en compte la difficulté d’accès dans l’élément en test. Il faut également prendre en compte les perturbations électromagnétiques dues à l’environnement de l’élément en test ou du banc d’essai, qui sont susceptibles de provoquer un déclenchement accidentel de la charge explosive. Il faut également prendre en compte le fait qu’il y a un délai entre l’ordre de tir et l’activation de la charge explosive dû aux inductances et aux capacités des câbles et du transformateur tournant. L’invention a pour objectif de limiter, voire de supprimer, les inconvénients mentionnés précédemment afin de proposer un système de déclenchement d’un dispositif intégré dans la partie tournante d’une machine tournante, qui soit plus sûr que ceux de l’art antérieur. Pour ce faire, l’invention a pour objet un système pour déclencher le fonctionnement d’un dispositif électrique ou électronique intégré dans la partie tournante d’une machine tournante, le système comprenant : - une source laser configurée pour émettre un faisceau laser d’une longueur d’onde déterminée ; - un détecteur optoélectronique, intégré dans la partie tournante, configuré pour recevoir un signal optique transmis par le faisceau laser, convertir le signal optique en un signal électrique, et transmettre le signal électrique au dispositif électrique ou électronique, de manière à déclencher le fonctionnement dudit dispositif ; dans lequel le détecteur optoélectronique comprend : - une fibre optique configurée pour guider des faisceaux lumineux, y compris le faisceau laser provenant de la source laser, vers un capteur optique sélectif, une première extrémité de la fibre optique étant disposée à la surface de la partie tournante et une deuxième extrémité étant reliée au capteur optique sélectif, la première extrémité et la source laser étant orientées l’une par rapport à l’autre de manière à ce que, au cours d’une rotation complète (c’est-à-dire de 360°) de la partie tournante, le faisceau laser de longueur d’onde déterminée émis par la source laser pénètre au moins une fois dans la première extrémité ; - le capteur optique sélectif, configuré pour recevoir des signaux optiques, sélectionner le signal optique de longueur d’onde déterminée parmi les signaux optiques reçus, convertir le signal optique de longueur d’onde déterminée en un signal électrique apte à déclencher le fonctionnement du dispositif et transmettre le signal électrique au dispositif. Pour rappel, une machine tournante comporte une partie tournante et une partie fixe ; les deux parties sont généralement coaxiales et la partie tournante est en rotation selon cet axe. La source laser peut émettre des faisceaux UV ou IR. Selon une variante, le capteur optique sélectif comprend : - une cellule de détection, configurée pour convertir un signal optique en un signal électrique et transmettre le signal électrique au dispositif ; - un système de filtration d’ordre supérieur ou égal à 2, agencé entre la deuxième extrémité de la fibre optique et la cellule de détection, formant un filtre passe-bande apte à stopper les faisceaux lumineux autres que le faisceau laser de longueur d’onde déterminée sortant de la fibre optique et à transmettre le faisceau laser à la cellule. Ces faisceaux lumineux (ou faisceaux optiques) autres que le faisceau laser de longueur d’onde déterminée peuvent être des faisceaux d’éclairages parasites pour la cinématographie de l’essai. Avantageusement, le système de filtration est obtenu en associant au moins un filtre passe-bas d’ordre 2 ou supérieur et au moins un filtre passe-haut d’ordre 2 ou supérieur, la somme des ordres des filtres étant supérieure à 2. Selon une variante de l’invention, le dispositif électrique ou électronique est un détonateur relié à une charge explosive. Le déclenchement du fonctionnement est donc ici le déclenchement de la mise à feu du détonateur. L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un système tel que défini ci-dessus, le procédé comprenant une phase de déclenchement du fonctionnement du dispositif électrique ou électronique, la phase de déclenchement comprenant les étapes de : - émission, par la source laser, d’un faisceau laser de longueur d’onde déterminée sur la partie tournante de la machine tournante en rotation, pendant au moins une rotation complète de la partie tournante, de manière à ce que la première extrémité de la fibre optique puisse capter le faisceau laser au moins une fois ; - réception, par le détecteur optoélectronique, du faisceau laser de longueur d’onde déterminée et de faisceaux lumineux autres que le faisceau laser de longueur d’onde déterminée ; - sélection, parmi les faisceaux lumineux réceptionnés, du faisceau laser de longueur d’onde déterminée ; - conversion du signal optique sélectionné en un signal électrique ; - transmission du signal électrique au dispositif électrique ou électronique. Avantageusement, le procédé comprend en outre, avant la phase de déclenchement, une phase de positionnement adéquat de la source laser qui comprend : - l’émission, sur la partie tournante en rotation, d’un faisceau laser de longueur d’onde déterminée et déplacement de la source laser jusqu’à la réception, par le détecteur optoélectronique, du signal optique transmis par le faisceau laser ; - la conversion du signal optique en un signal électrique ; - la transmission du signal électrique à un dispositif de contrôle intégré dans la partie tournante et muni d’un voyant lumineux qui est disposé à la surface de la partie tournante de la machine tournante ; - l’allumage du voyant lumineux, de manière à indiquer à un utilisateur que la source laser est bien positionnée. Avantageusement, le procédé comprend en outre, avant la phase de déclenchement et après l’éventuelle phase de positionnement adéquat de la source laser, une phase de mise en sécurité du dispositif empêchant son fonctionnement qui comprend : - une mise hors tension du capteur optoélectronique, de manière à empêcher une transmission d’un signal électrique vers le dispositif ; et - lorsque le dispositif peut être utilisé, une mise en tension du capteur optoélectronique, de manière à rendre possible une transmission d’un signal électrique vers le dispositif. Cette phase de mise en sécurité est particulièrement utile lorsque le dispositif est un détonateur. Elle permet d’empêcher une mise à feu accidentelle du détonateur. Le système et le procédé selon l’invention permettent de supprimer les risques de détériorations des conducteurs électriques cheminés dans les machines tournantes en test. Ils permettent de réduire les modifications de la configuration de la machine tournante. Par exemple, pour le test de rétention d’aube, la suppression du transformateur tournant permet d’acheminer l’énergie nécessaire au déclenchement de la charge explosive. Ils permettent d’utiliser une méthode qui n’utilise pas de capteurs de position pour donner la position angulaire de la partie tournante de la machine tournante. Par exemple, dans le cas d’un test de rétention d’aube, on n’utilise pas de capteurs de position pour donner la position de la soufflante afin de déclencher la charge explosive au moment souhaité. Cela est avantageux, car souvent, pour ce type de tests dans l’art antérieur, les capteurs n’étaient pas dotés d’un nombre suffisant de sorties et il était nécessaire d’installer des lignes de mesures supplémentaires sur la machine tournante. Ils permettent également de supprimer les perturbations électromagnétiques sur les mesures à enregistrer lors d’un essai tournant lors du déclenchement de la charge explosive ; en effet, dans l’art antérieur, des perturbations sont générées par l’impulsion de courant élevé qui transite dans les conducteurs électriques permettant la mise à feu de la charge explosive. Le système selon l’invention présente en outre de nombreux avantages. Le détecteur optoélectronique du système selon l’invention a très peu d’impact sur la définition de la partie tournante en test, car il est léger et est contenu dans la partie tournante de la machine tournante, par exemple dans le cône de la soufflante d’un turboréacteur. Sa mise en place, son démontage et son remplacement sont rapides. Une investigation en cas de disfonctionnement du détecteur optoélectronique est facilitée. À titre d’exemple, dans le cas d’une soufflante de turboréacteur, cette investigation requiert uniquement le démontage du cône de la soufflante pour pouvoir accéder au détecteur optoélectronique. Le détecteur optoélectronique ne présente aucun impact sur la qualité des mesures réalisées sur la partie tournante en test. Le réglage de l’angle de déclenchement du dispositif est facilité, car il se fait par simple changement de position du faisceau laser sur le cône de la soufflante ; il n’y a pas besoin d’utiliser un capteur de position intégré dans la partie tournante en test (par exemple, un capteur du type top tour). D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d’une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - , déjà décrite, représente une vue schématique d’un dispositif actuel de mise à feu utilisant un transformateur tournant ; - représente, selon une vue schématique en coupe, le système selon l’invention ; - représente, selon une vue en coupe, le détail de différents éléments du système selon l’invention qui sont situés dans la partie tournante d’une machine tournante ; - représente, selon une vue de face, une soufflante de turboréacteur et permet de voir la trace du faisceau laser plat sur le cône de la soufflante. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le système et le procédé selon l’invention peuvent s’adapter à l’ensemble des machines tournantes demandant le déclenchement avec une précision angulaire d’un dispositif électrique ou électronique intégré dans la partie tournante de la machine tournante, par exemple pour l’enregistrement d’une mesure. En effet, le détecteur optoélectronique du système selon l’invention peut être intégré dans la partie tournante de toute machine tournante pour déclencher toutes sortes de dispositifs électriques, comme par exemple un détonateur relié à une charge explosive dans le cas d’un essai FBO. Le système et le procédé décrits ci-dessus peuvent en particulier être utilisés pour réaliser tous tests de rupture d’une pièce par charge explosive sur une partie tournante d’une machine tournante, où une position angulaire précise de la partie en rotation est demandée. Pour illustrer l’invention, nous allons justement décrire le déclenchement par laser d’une charge pyrotechnique lors d’un essai de rétention d’aube sur un turboréacteur. Lors d’un tel essai, l’objectif est de déclencher une charge explosive lorsque le turboréacteur est à sa pleine puissance, afin de sectionner, à sa base, une aube de la soufflante du turboréacteur. L’aube doit être sectionnée dans une position angulaire de la soufflante bien précise. Dans la est illustré un faisceau laser 7, issu d’une source laser 8, arrivant sur le cône 9 d’une soufflante 17 d’un turboréacteur. Dans la est illustré le détail de l’intérieur du cône 9. On peut voir qu’il contient un détecteur optoélectronique, comprenant ici une fibre optique 10 dont une extrémité 11 (symbolisée par un rond), qui affleure la surface du cône 9, va pouvoir capter le faisceau laser 7, ainsi qu’un capteur optique 12. Le capteur optique 12 est relié électriquement au dispositif à déclencher 13 (détonateur), qui est ici un détonateur qui est disposé à la base d’une aube 16. Dans cette représentation, il y a également un voyant lumineux 14, qui est disposé à la surface du cône 9. Le déclenchement de la charge explosive par le détonateur 13 est activé par un faisceau laser 7 visant un détecteur optoélectronique de petite taille qui est intégré dans le cône de la soufflante du turboréacteur. Avantageusement, le faisceau laser vise une extrémité 11 d’une fibre optique 10, reliée à un capteur optique 12, l’extrémité 11 étant disposée à la surface de la partie tournante de la machine tournante (par exemple, la fibre optique traverse la paroi du cône de la soufflante de sorte que l’extrémité affleure le niveau de la surface du cône). Le procédé selon l’invention permet suivant : - la position du détecteur optoélectronique (ou, avantageusement, de l’extrémité de la fibre optique du détecteur optoélectronique) sur la partie tournante du spécimen en test ; - la position du faisceau laser visant une zone contenant le détecteur optoélectronique ; et - le point d’intersection du détecteur optoélectronique (et de préférence, de l’extrémité de la fibre optique du détecteur optoélectronique) et du faisceau laser ; de pouvoir déclencher la charge explosive dans une position angulaire précise de la soufflante. Lors d’un essai FBO, lorsqu’un faisceau laser illumine une zone de la partie tournante de la machine tournante, la fibre optique, dont une extrémité est située en surface du cône de la soufflante, va croiser le faisceau laser au cours de la rotation de la partie tournante ; la lumière laser va donc être transmise au capteur laser sélectif situé dans le cône, et le capteur 12 va transmettre un signal électrique au détonateur 13, ce qui déclenche la mise à feu du détonateur. Avant l’essai FBO, on peut procéder au réglage de la position du faisceau laser sur le cône de la soufflante dans les mêmes conditions que l’essai FBO. Ce réglage est à effectuer en dynamique, car la position du moteur peut varier dû à la balance de poussée du banc, à sa poussée ou autre. De préférence, on utilise une ou plusieurs lentilles de diffraction disposées devant la source laser 8 afin de générer un faisceau laser plat 7 ; ainsi, lorsqu’il atteint la partie tournante, la rencontre du faisceau laser avec la surface de la partie tournante forme une ligne. Cette ligne laser peut être située entre l’axe de rotation de la partie tournante et sa périphérie. Ainsi, lors d’une rotation complète de la partie tournante, il est plus facile pour le faisceau laser d’intercepter l’extrémité de la fibre optique lorsqu’il est sous la forme d’un faisceau laser plat que lorsqu’il est sous la forme d’un point. Dans la , la trace 15 du faisceau laser plat 7 est représentée sur le cône. On peut également voir les ronds qui représentent respectivement l’extrémité 11 de la fibre optique et le voyant lumineux 14. Pour le réglage de la position du faisceau laser, on peut par exemple équiper la source laser d’une motorisation pilotée en XYZ. Selon une mesure de sécurité, le détecteur optoélectronique peut être mis hors tension en dehors de l’essai FBO proprement dit. La transmission d’un signal électrique entre le détecteur optoélectronique et le dispositif à déclencher n’est alors pas possible. Une fois que la position du faisceau laser est réglée, on retire le cône afin de mettre sous tension le détecteur optoélectronique, puis on remet en place le cône. Selon une autre mesure de sécurité, il est également possible, avant le démarrage du moteur du turboréacteur ou durant la phase de ralenti, d’envoyer un ordre au capteur optoélectronique, par exemple via une liaison HF, afin d’autoriser le futur déclenchement du dispositif. On obtient alors un retour, par exemple par un voyant lumineux 14 visible sur le cône de la soufflante via des caméras ou bien par une liaison HF de retour, indiquant que le dispositif est prêt à être déclenché. Cela est particulièrement utile lorsque le dispositif à déclencher est un détonateur d’une charge explosive et qu’on souhaite vérifier si le détonateur est prêt à être déclenché (par exemple, lorsque qu’on a vérifié que plus personne n’est situé dans la zone à proximité de la charge explosive). Puis, on met le moteur dans les conditions de test attendues. Et enfin, on déclenche une impulsion du faisceau laser sur le cône ; de préférence, le temps de l'impulsion est équivalent à un tour de rotation de la soufflante. Système pour déclencher le fonctionnement d’un dispositif électrique ou électronique (13) intégré dans la partie tournante (9) d’une machine tournante (2), le système comprenant : - une source laser (8) configurée pour émettre un faisceau laser (7) d’une longueur d’onde déterminée ; - un détecteur optoélectronique, intégré dans la partie tournante, configuré pour recevoir un signal optique transmis par le faisceau laser (7), convertir le signal optique en un signal électrique, et transmettre le signal électrique au dispositif électrique ou électronique, de manière à déclencher le fonctionnement dudit dispositif (13) ; dans lequel le détecteur optoélectronique comprend : - une fibre optique (10) configurée pour guider des faisceaux lumineux, y compris le faisceau laser (7) provenant de la source laser, vers un capteur optique sélectif (12), une première extrémité (11) de la fibre optique étant disposée à la surface de la partie tournante et une deuxième extrémité étant reliée au capteur optique sélectif, la première extrémité et la source laser étant orientées l’une par rapport à l’autre de manière à ce que, au cours d’une rotation complète de la partie tournante, le faisceau laser (7) de longueur d’onde déterminée émis par la source laser pénètre au moins une fois dans la première extrémité (11) ; - le capteur optique sélectif, configuré pour recevoir des signaux optiques, sélectionner le signal optique de longueur d’onde déterminée parmi les signaux optiques reçus, convertir le signal optique de longueur d’onde déterminée en un signal électrique apte à déclencher le fonctionnement du dispositif et transmettre le signal électrique au dispositif. Système selon la revendication 1, dans lequel le capteur optique sélectif comprend : - une cellule de détection, configurée pour convertir un signal optique en un signal électrique et transmettre le signal électrique au dispositif ; - un système de filtration d’ordre supérieur ou égal à 2, agencé entre la deuxième extrémité de la fibre optique et la cellule de détection, formant un filtre passe-bande apte à stopper les faisceaux lumineux autres que le faisceau laser de longueur d’onde déterminée sortant de la fibre optique et à transmettre le faisceau laser à la cellule. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le système de filtration est obtenu en associant au moins un filtre passe-bas d’ordre 2 ou supérieur et au moins un filtre passe-haut d’ordre 2 ou supérieur, la somme des ordres des filtres étant supérieure à 2. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif est un détonateur relié à une charge explosive. Procédé d’utilisation d’un système selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, le procédé comprenant une phase de déclenchement du fonctionnement du dispositif électrique ou électronique, la phase de déclenchement comprenant les étapes de : - émission, par la source laser, d’un faisceau laser de longueur d’onde déterminée sur la partie tournante de la machine tournante en rotation, pendant au moins une rotation complète de la partie tournante, de manière à ce que la première extrémité de la fibre optique puisse capter le faisceau laser au moins une fois ; - réception, par le détecteur optoélectronique, du faisceau laser de longueur d’onde déterminée et de faisceaux lumineux autres que le faisceau laser de longueur d’onde déterminée ; - sélection, parmi les faisceaux lumineux réceptionnés, du faisceau laser de longueur d’onde déterminée ; - conversion du signal optique sélectionné en un signal électrique ; - transmission du signal électrique au dispositif électrique ou électronique. Procédé selon la revendication 5, comprenant en outre, avant la phase de déclenchement, une phase de positionnement adéquat de la source laser qui comprend : - l’émission, sur la partie tournante en rotation, d’un faisceau laser de longueur d’onde déterminée et déplacement de la source laser jusqu’à la réception, par le détecteur optoélectronique, du signal optique transmis par le faisceau laser ; - la conversion du signal optique en un signal électrique ; - la transmission du signal électrique à un dispositif de contrôle intégré dans la partie tournante et muni d’un voyant lumineux (14) qui est disposé à la surface de la partie tournante de la machine tournante ; - l’allumage du voyant lumineux, de manière à indiquer à un utilisateur que la source laser est bien positionnée. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6, comprenant en outre, avant la phase de déclenchement et après l’éventuelle phase de positionnement adéquat de la source laser, une phase de mise en sécurité du dispositif empêchant son fonctionnement qui comprend : - une mise hors tension du capteur optoélectronique, de manière à empêcher une transmission d’un signal électrique vers le dispositif ; et - lorsque le dispositif peut être utilisé, une mise en tension du capteur optoélectronique, de manière à rendre possible une transmission d’un signal électrique vers le dispositif.