FR2714171A1 - Measuring torque reaction of rotating turbine blades - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA TORSION DES
AUBES MOBILES D'UNE TURBOMACHINE EN ROTATION
La présente invention concerne un procédé de mesure de la torsion des aubes d'une turbomachine en rotation.METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE TORSION OF
MOBILE BLADES OF A ROTATING TURBOMACHINE
The present invention relates to a method for measuring the torsion of the blades of a rotating turbomachine.
Les compresseurs et les turbines qui équipent les turbomachines supportent des vitesses de rotation élevées. The compressors and turbines which equip turbomachines support high rotational speeds.
Durant le fonctionnement normal d'une turbomachine d'aviation, les différentes conditions de fonctionnement du moteur vont entraîner sur les aubes des charges qui seront dues à l'effet centrifuge et aux efforts aérodynamiques. Les effets composés de ces charges entraînent un dévrillage et une flexion des aubes et en fonction des jeux, un déplacement vers l'arrière ou vers l'avant du rotor de compresseur ou de turbine. During the normal operation of an aviation turbomachine, the different operating conditions of the engine will cause loads on the blades which will be due to the centrifugal effect and to aerodynamic forces. The compound effects of these loads lead to a twisting and bending of the blades and, depending on the clearances, a rearward or forward displacement of the compressor or turbine rotor.
Il est connu par FR-A-1281 292 un procédé pour mesurer instantanément le déplacement axial du rotor. Ce procédé utilise un seul dispositif pour mesurer le déplacement axial d'une seule aube, et ne peut convenir pour mesurer la torsion de chaque aube. FR-A-1281 292 discloses a method for instantly measuring the axial displacement of the rotor. This method uses a single device to measure the axial displacement of a single blade, and cannot be suitable for measuring the torsion of each blade.
FR-A-2 646468 propose un procédé pour mesurer la torsion d'une aube déterminée qui consiste à comparer une photographie de l'aube en mouvement avec une photographie de l'aube au repos. Ce procédé ne permet pas une mesure en temps réel de la torsion de chaque aube. FR-A-2 646468 proposes a method for measuring the torsion of a determined dawn which consists in comparing a photograph of the dawn in motion with a photograph of the dawn at rest. This method does not allow a real-time measurement of the twist of each blade.
Or la connaissance instantanée de la torsion de toutes les aubes, suivant les conditions de fonctionnement, est indispensable afin de permettre l'amélioration des performances des rotors et de leur résistance mécanique. Now, instant knowledge of the torsion of all the blades, depending on the operating conditions, is essential in order to allow the performance of the rotors and their mechanical strength to be improved.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé qui permette la mesure en temps réel de la torsion de chaque aube, ainsi que son positionnement axial. The object of the present invention is to propose a method which allows the real-time measurement of the torsion of each blade, as well as its axial positioning.
Conformément à la présente invention, on émet au moins deux pinceaux lumineux radiaux en regard des chemins parcourus par les côtés bord d'attaque et bord de fuite des sommets des aubes, on détecte par des capteurs optiques linéaires, disposés à cheval sur lesdits chemins et au voisinage desdits pinceaux, les rayons lumineux réfléchis par lesdits sommets d'aubes lors de leur passage devant lesdits capteurs, et on détermine la longueur de la projection longitudinale de la corde de chaque aube en fonction des rayons réfléchis reçus par lesdits capteurs. In accordance with the present invention, at least two radial light brushes are emitted opposite the paths traversed by the leading edge and trailing edge sides of the tips of the blades, they are detected by linear optical sensors, arranged astride said paths and in the vicinity of said brushes, the light rays reflected by said blade tips during their passage in front of said sensors, and the length of the longitudinal projection of the chord of each blade is determined as a function of the reflected rays received by said sensors.
Avantageusement on mesure simultanément les positions axiales du bord d'attaque et du bord de fuite de chaque sommet d'aube en fonction des rayons réfléchis reçus par lesdits capteurs. Advantageously, the axial positions of the leading edge and the trailing edge of each blade tip are simultaneously measured as a function of the reflected rays received by said sensors.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ces procédés. The present invention also relates to a device for implementing these methods.
Ce dispositif comporte des moyens permettant d'émettre au moins deux pinceaux lumineux radiaux respectivement en regard des chemins parcourus par les côtés bord d'attaque et bord de fuite des sommets des aubes, des capteurs optiques linéaires, portés par le carter de la turbomachine et disposés à cheval sur lesdits chemins et au voisinage desdits pinceaux et un calculateur relié auxdits capteurs. This device comprises means making it possible to emit at least two radial light brushes respectively opposite the paths traversed by the sides leading edge and trailing edge of the tips of the blades, linear optical sensors, carried by the casing of the turbomachine and arranged astride said paths and in the vicinity of said brushes and a computer connected to said sensors.
Selon un mode de réalisation de ce dispositif, les capteurs optiques comportent une rampe de fibres optiques réceptrices disposées radialement et reliées au calculateur par l'intermédiaire de photo-détecteurs. Lesdites rampes sont de préférence inclinées par rapport à l'axe de rotation des aubes. L'angle d'inclinaison doit être parfaitement connu. According to one embodiment of this device, the optical sensors comprise a ramp of receiving optical fibers arranged radially and connected to the computer by means of photo-detectors. Said ramps are preferably inclined relative to the axis of rotation of the blades. The angle of inclination must be perfectly known.
Elles sont avantageusement disposées dans le plan de l'aube qui passe devant elles.They are advantageously arranged in the plane of the dawn which passes in front of them.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels:
le figure 1 est une vue de face d'une grille d'aubes d'une turbomachine,
la figure 2 est une vue radiale du sommet d'une aube en rotation,
la figure 3 est une vue partielle de face d'une grille d'aubes d'une turbomachine munie du dispositif de mesure de torsion selon l'invention,
la figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3,
les figures SA et 5B représentent la disposition des champs balayés par têtes d'aubes par rapport aux dispositifs de mesure selon l'invention pour différents calages d'aubes.Other advantages and characteristics of the invention will emerge on reading the following description given by way of nonlimiting example and with reference to the appended drawings in which:
FIG. 1 is a front view of a grid of blades of a turbomachine,
FIG. 2 is a radial view of the top of a rotating blade,
FIG. 3 is a partial front view of a grid of blades of a turbomachine provided with the torsion measurement device according to the invention,
FIG. 4 is a section along the line IV-IV of FIG. 3,
FIGS. SA and 5B represent the arrangement of the fields scanned by blade heads with respect to the measuring devices according to the invention for different settings of blades.
La référence 1 désigne une aube courante d'une grille d'aubes 2 d'un compresseur, turbine ou soufflante d'un turboréacteur, qui en fonctionnement tourne autour de l'axe 3 du turboréacteur et se déplace dans le sens de la flèche 4. The reference 1 designates a current blade of a grid of blades 2 of a compressor, turbine or blower of a turbojet engine, which in operation rotates around the axis 3 of the turbojet engine and moves in the direction of arrow 4 .
On a désigné par 5 le bord d'attaque du sommet 6 de l'aube 1 et par 7 le bord de fuite du même sommet d'aube 6. The leading edge of the apex 6 of the blade 1 is designated by 5 and the trailing edge of the same blade apex 6 is designated by 7.
Lorsque la grille d'aubes 2 tourne autour de l'axe 3, le bord d'attaque 5 décrit un chemin circulaire 8 autour de l'axe 3 et le bord de fuite 7 décrit un chemin circulaire 9 parallèle au chemin circulaire 8 et espacé de ce dernier d'une distance D qui correspond à la largeur du champ balayé par le sommet 5 de l'aube 1. L représente la distance séparant le bord d'attaque 5 du bord de fuite 7, c'est-à-dire la longueur de la corde de l'aube 1 en sommet d'aube 6. L'angle C défini par la corde de l'aube 1 et le plan de rotation de la grille d'aubes 2 détermine l'angle de calage de la coupe de tête des aubes. When the blade grid 2 rotates around the axis 3, the leading edge 5 describes a circular path 8 around the axis 3 and the trailing edge 7 describes a circular path 9 parallel to the circular path 8 and spaced of the latter by a distance D which corresponds to the width of the field swept by the apex 5 of the blade 1. L represents the distance separating the leading edge 5 from the trailing edge 7, that is to say the length of the blade of blade 1 at the top of blade 6. The angle C defined by the cord of blade 1 and the plane of rotation of the blade grid 2 determines the setting angle of the blade cutting head.
L'angle C est relié aux valeurs L et D par la relation:
C = Arcsin (D/L)
Lors du fonctionnement normal du turboréacteur, les aubes 1 sont soumises à des charges dues aux efforts aérodynamiques et aux forces centrifuges. Les effets combinés de ces charges entraînent un dévrillage et une flexion des aubes 1, et par le fait même des variations de l'angle de calage C et un déplacement vers l'avant ou vers l'arrière des chemins 8 et 9 parcourus respectivement par le bord d'attaque 5 et le bord de fuite 7.The angle C is linked to the values L and D by the relation:
C = Arcsin (D / L)
During normal operation of the turbojet engine, the blades 1 are subjected to loads due to aerodynamic forces and to centrifugal forces. The combined effects of these loads cause the blades 1 to twist and bend, and consequently variations in the pitch angle C and a forward or backward displacement of the paths 8 and 9 traversed respectively by the leading edge 5 and the trailing edge 7.
Le principe de la mesure du calage C, selon l'invention consiste à quantifier le champ D balayé par chaque sommet d'aube 6 durant la rotation. The principle of measuring the setting C, according to the invention consists in quantifying the field D swept by each blade tip 6 during the rotation.
Sur une génératrice 10 du carter 11 du turboréacteur, il est prévu en regard des chemins 8 et 9 et à cheval sur ces derniers, deux dispositifs semblables 12a, 12b qui permettent, chacun, d'émettre un pinceau lumineux radial 13 et de capter les rayons réfléchis par les sommets d'aubes 6 lors de leur passage devant lesdits dispositifs 12a, 12b. On a generator 10 of the casing 11 of the turbojet engine, there are provided facing paths 8 and 9 and straddling the latter, two similar devices 12a, 12b which allow, each, to emit a radial light brush 13 and to pick up the rays reflected by the tips of blades 6 during their passage in front of said devices 12a, 12b.
Les deux dispositifs 12a, 12b étant semblables, seul le dispositif 12a sera décrit ci-après. Ce dispositif 12a comporte une pluralité de fibres optiques émettrices 14 reliées à une source lumineuse 15 et destinées à émettre en permanence un pinceau lumineux 13, et une rampe 16 de fibres optiques réceptrices 17 disposées côte à côte. La rampe 16 est de préférence noyée dans la pluralité de fibres optiques émettrice 14. The two devices 12a, 12b being similar, only the device 12a will be described below. This device 12a comprises a plurality of emitting optical fibers 14 connected to a light source 15 and intended to permanently emit a light brush 13, and a ramp 16 of receiving optical fibers 17 arranged side by side. The ramp 16 is preferably embedded in the plurality of emitting optical fibers 14.
Toutes les fibres optiques 14 et 17 sont dirigées vers l'axe 3 de la turbomachine. Les fibres optiques réceptrices 17 sont reliées à des photo-détecteurs 18 eux-mêmes reliés à un calculateur 19 qui à l'aide de logiciels appropriés permet à chaque passage d'une aube 1 quelconque devant une rampe 16 de déterminer, en fonction du nombre de fibres optiques réceptrices 17 ayant reçu des rayons lumineux réfléchis par le sommet d'aube 6, le déplacement axial du chemin 8 ou 9 du côté bord d'attaque 5 ou bord de fuite 7 de ladite aube 1.All the optical fibers 14 and 17 are directed towards the axis 3 of the turbomachine. The receiving optical fibers 17 are connected to photo-detectors 18 which are themselves connected to a computer 19 which, with the aid of appropriate software, allows each blade 1 to pass in front of a ramp 16 to determine, as a function of the number of receiving optical fibers 17 having received light rays reflected by the tip of the blade 6, the axial displacement of the path 8 or 9 on the leading edge 5 or trailing edge 7 side of said blade 1.
On conçoit facilement que, du fait que les deux dispositifs détecteurs 12a, 12b sont fixés à demeure sur le carter 13, le calculateur 19 puisse évaluer la distance D séparant les deux chemins 8 et 9 de chaque aube 1 ainsi que le niveau vibratoire de chaque aube 1 en fonction des variations de son déplacement axial à chaque tour de rotation de la grille d'aubes 2. It is easily understood that, because the two detector devices 12a, 12b are permanently fixed to the casing 13, the computer 19 can evaluate the distance D separating the two paths 8 and 9 from each blade 1 as well as the vibration level of each blade 1 as a function of the variations in its axial displacement at each revolution of the blade grid 2.
Le calculateur 19 est avantageusement relié à un écran 20 affichant en temps réel - le calage de la coupe de tête de chaque aube, - la position axiale des aubes 1 par rapport au carter 13, et - le niveau vibratoire de chaque aube. The computer 19 is advantageously connected to a screen 20 displaying in real time - the setting of the head section of each blade, - the axial position of the blades 1 relative to the casing 13, and - the vibration level of each blade.
Afin de favoriser les précisions dans les mesures, les rampes 16 sont de préférence inclinées par rapport à l'axe de rotation 3 et les fibres optiques réceptrices 17 sont alignées dans le plan radial de la tête d'aube 6 voisine. Les diamètres des fibres 17 sont relativement faibles afin d'obtenir une bonne résolution. In order to promote accuracy in the measurements, the ramps 16 are preferably inclined relative to the axis of rotation 3 and the receiving optical fibers 17 are aligned in the radial plane of the neighboring blade head 6. The diameters of the fibers 17 are relatively small in order to obtain good resolution.
A tire d'exemple, lorsque la rampe 16 est inclinée à 45 et comporte 15 fibres alignées sur 14 mm, la résolution est de 0,57 mm. As an example, when the ramp 16 is inclined at 45 and has 15 fibers aligned on 14 mm, the resolution is 0.57 mm.
Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, les deux rampes 16 de détection sont alignées sur une génératrice 10 du carter 11. fi est naturellement possible de décaler angulairement les deux dispositifs 12a et 12b dans le sens du calage normal C de la coupe de têtes des aubes. In the embodiment described above, the two detection ramps 16 are aligned on a generator 10 of the casing 11. It is naturally possible to angularly offset the two devices 12a and 12b in the direction of the normal setting C of the cut of blade heads.
Les figures SA et 5B montrent la variation de la position des chemins 8 et 9 ainsi que de leurs distances D1, D2 en fonction de la valeur de l'angle de calage C1 et C2 des aubes 1 (avec C1 > C2), par rapport aux dispositifs 12a et 12b. Figures SA and 5B show the variation of the position of paths 8 and 9 as well as their distances D1, D2 as a function of the value of the setting angle C1 and C2 of the blades 1 (with C1> C2), relative to devices 12a and 12b.
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