FR2946426A1 - Systeme et procede de detection par fibre optique de multiples parametres d'un systeme de turbomachine. - Google Patents
Systeme et procede de detection par fibre optique de multiples parametres d'un systeme de turbomachine. Download PDFInfo
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Abstract
Cette invention porte sur un système (10) de détection par fibre optique de multiples paramètres pour surveiller des couples statiques et dynamiques, des modes de vibration et un état de fonctionnement associé d'un arbre (24) d'un système de turbomachine, lequel système comprend un diviseur optique à faisceau de fibres ramifié (22) configuré pour envoyer de la lumière vers une surface d'au moins un arbre (24) du système de turbomachine par l'intermédiaire d'une pluralité de faisceaux de fibres optiques agencés à une pluralité d'emplacements à proximité de la surface de l'au moins un arbre (24), la pluralité d'emplacements étant agencés ensemble dans une direction sensiblement axiale entre les extrémités de l'au moins un arbre (24). Le système comprend en outre un réseau de sondes de réflexion à faisceau de fibres bifurqué haute température (26), (28), (30), (32) pour recevoir des signaux de réflexion provenant de la surface de l'arbre et les envoyer à un réseau de détecteurs photosensibles (34), configuré pour détecter la lumière dynamique réfléchie par l'au moins une surface d'arbre du système de turbomachine en réponse à la lumière émise durant une rotation de l'au moins un arbre (24) du système de turbomachine et générer des signaux de lumière réfléchie dynamique à partir de celle-ci. Un mécanisme de détection (36) est configuré pour déterminer un couple ou une vibration sur l'au moins un arbre du système de turbomachine en réponse aux signatures des signaux de lumière réfléchie dynamique sur la base de traitements de signaux dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel.
Description
B09-1714FR
Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système et procédé de détection par fibre optique de multiples paramètres d'un système de turbomachine Invention de : XIA Hua TURNQUIST Norman Arnold CHAN David So Keung ZHENG Danian McCARTHY Kevin Thomas GAWRELSKI Richard Joseph PIETRYKOWSKI Matthew Damian ROSS Alexander Seth LI Yun WU Juntao
Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 25 juin 2008 sous le n° 12/215.094 1
Système et procédé de détection par fibre optique de multiples paramètres d'un système de turbomachine La présente invention porte globalement sur un système et un procédé de détection par fibre optique de multiples paramètres pour surveiller un état de fonctionnement d'un système de turbomachine, et en particulier sur un système et un procédé capables de permettre simultanément une détection de couple statique et dynamique et de vibration d'un système de turbomachine.
La mesure du couple d'une turbomachine qui varie le long de son arbre fournit des informations clés permettant à des ingénieurs concepteurs de valider et d'améliorer le rendement du système. Un désalignement mécanique, un mouvement avec frottement entre rotor et stator, une déformation d'arbres, un patinage d'accouplements et d'autres forces aléatoires sont normalement des causes amenant des rotors et des arbres à souffrir de couples statiques et dynamiques et d'une vibration de flexion et de torsion qui entraînent la plupart des événements de défaillance. Les couples et les vibrations sont certains des paramètres critiques qui peuvent être mesurés pour surveiller le rendement de production d'électricité ou la dégradation dans un système de turbomachine, qui peut comprendre une turbine à vapeur, un alternateur, un engrenage de transmission et une turbine à gaz. Ils peuvent être mesurés par des extensomètres à résistance, des capteurs de proximité fixes, des capteurs magnétostrictifs et des capteurs magnétoélastiques. Ces capteurs à base de rotation doivent être montés sur ou à proximité de la surface du rotor et de l'arbre, ce qui n'est pas toujours possible en raison des limitations spatiales. Le fonctionnement de ces technologies de mesure classiques est malheureusement sensible aux variations des conditions ambiantes telles que température, pression, dégagement, humidité et perturbation électromagnétique. Etant donné qu'un système de turbomachine typique fonctionne à des températures allant d'environ 37,8°C (100°F) à environ 649°C (1200°F), et sous une humidité élevée, il est exposé à des vibrations de torsion ou de flexion variables et des conditions de dilatation thermique radiale variables en raison d'une importante déformation mécanique dynamique et d'importantes vibrations de flexion et de torsion. Tout cela peut affecter la précision et la durée de vie de ces capteurs. Ces capteurs ne sont donc pas fiables pour un fonctionnement à long terme dans une grande turbomachine. La détection de couple d'un rotor et d'un arbre permet de déterminer la quantité d'énergie qu'une turbine, ou autre dispositif en rotation, génère ou consomme. Dans le monde industriel, la norme ISO 9000 et d'autres spécifications de contrôle de qualité sont à présent requises pour mesurer un couple durant la fabrication, en particulier aux endroits où des organes de fixation sont appliqués. I1 n'existe actuellement aucun système de détection pratique qui puisse mesurer aussi bien un couple statique qu'un couple dynamique d'un système de turbomachine, tel qu'un rotor de turbine à vapeur et une surface d'arbre, chaque fois que l'emplacement de détection requiert qu'une détection se produise dans des conditions difficiles. Des techniques connues de détection de couple basées sur l'optique emploient des procédés de déviation de faisceau laser en optique sans fil pour mesurer un couple par réflexion d'un faisceau laser par un micromiroir qui est incorporé sur une surface d'arbre. De tels dispositifs sont difficiles à incorporer dans un environnement de turbine à vapeur en raison de l'absorption du faisceau laser par la vapeur, et également en raison des exigences de maintenance de la surface optique du micromiroir qui est sensible à la l'environnement de circulation de vapeur ainsi qu'à l'alignement et aux vibrations mécaniques. Des systèmes similaires de mesure de vibration par interférence optique sont également connus pour mesurer une déformation et un déplacement mécaniques, mais ces systèmes ne sont pas conçus pour permettre, dans un système de turbomachine, une détection de déformation mécanique associée à une vibration de l'arbre de rotor de turbine à vapeur car la dilatation thermique fait qu'il est difficile de maintenir la focalisation optique et l'intégrité des signaux dans un environnement dynamique. Toutes les technologies actuelles telles que capteurs de proximité fixes, extensomètres à résistance, capteurs magnétostrictifs et magnétoélastiques, ne sont pas suffisamment robustes pour survivre dans un système de turbomachine, tel qu'un environnement de turbine à vapeur, pendant la vie de la machine, et sont toutes sensibles à la température. Cette propriété de sensibilité thermique a causé de sérieux problèmes de fiabilité et est source d'imprécisions.
Un autre problème lié aux technologies actuelles concerne les paramètres d'installation de ces dispositifs classiques de détection de couple/vibration dans le système de turbomachine, tel que l'environnement de turbine à vapeur, incluant sans restriction humidité, pression, perturbation électromagnétique variable, températures de 37,8°C-649°C (100°F-1200°F), et vibration de flexion ou de torsion du rotor. Un extensomètre, par exemple, doit être monté sur la surface du rotor, et un capteur magnétostrictif doit être monté près de la surface de l'arbre avec un espace ou dégagement inférieur à quelques centaines de microns. Des fluctuations de température dans un système de turbomachine, par exemple à différents étages d'une turbine à vapeur, induisent une dilatation thermique et une vibration de flexion ou de torsion du rotor transitoires importantes. Dans un environnement difficile, des mesures de couple et de vibration fiables entre des sections turbine à vapeur ù alternateur, alternateur ù engrenage de transmission et engrenage de transmission ù turbine à gaz et entre des étages individuels de la turbine à vapeur permettront de surveiller les performances et de planifier de façon plus optimale des interruptions de service pour maintenance, maximisant la disponibilité et la puissance de la turbine.
En outre, des vibrations de flexion et de torsion dues à des décalages de charge entre turbine à vapeur et alternateur, entre alternateur et engrenage de transmission et entre engrenage de transmission et turbine à gaz peuvent produire des oscillations transitoires qui dépassent les niveaux de contrainte en régime permanent dans des conditions de charge maximale. Ces phénomènes vibratoires non linéaires transitoires peuvent induire une usure de paliers, une déformation de flexion d'arbres et des forces de torsion intenses, et mettre en péril la stabilité d'un système de production d'électricité à turbine à vapeur, parmi d'autres effets. Une technologie de détection de vibration classique telle que des accéléromètres, extensomètres, capteurs de proximité et tachymètres peut être limitée soit par les conditions ambiantes difficiles de la turbine à gaz incluant sans restriction température, pression, vapeur, particules de poussière, humidité et débit élevé, soit par leur nature de capteurs à contact et électriques. Dans des conditions de fonctionnement d'arbre normales qui correspondent à un état d'équilibre stable, le signal de vibration aléatoire basse fréquence observé, bien qu'il soit faible, pourrait être le résultat d'un mouvement avec frottement entre rotor et stator, d'une déformation d'arbres, d'un patinage d'accouplements et d'autres forces aléatoires. Des modes de vibration de flexion sont principalement dus à un désalignement mécanique du système en rotation, une distribution de température et un déséquilibre; tandis que la vibration de torsion peut être due à une dynamique de couple induite par des variations des conditions de charge de l'arbre et des variations transitoires de la vitesse de rotation. Des forces d'excitation extérieures inconnues, une commutation de puissance transitoire et un fonctionnement instable du système global peuvent également induire des modes de vibration non linéaires transitoires qui pourraient avoir de grandes amplitudes de vibration. De plus, une détérioration des aubages de turbine réduira la puissance et peut être surveillée par l'intermédiaire d'une réduction de couple et de variations de fréquence de vibration. En considération de ce qui précède, il serait à la fois avantageux et bénéfique de proposer une solution pratique pour une analyse de couple et de vibration d'un système de turbomachine en ligne, tel qu'une turbine à vapeur, en vue d'améliorer les performances de production d'électricité ainsi que la commande et l'optimisation du rendement de production d'électricité. Cette solution devrait fournir un moyen fiable de mesure de couple statique et dynamique, de vibrations linéaires et non linéaires d'arbres en rotation ou un moyen fiable de diagnostic et de pronostic d'événements de défaillance. Des mesures de couple et de vibration fiables entre sections de turbine et entre étages de turbine individuels dans un système de turbomachine permettront de surveiller les performances et de planifier de façon plus optimale des interruptions de service pour maintenance, maximisant le rendement de production d'électricité du système de turbomachine. I1 serait en outre avantageux que le système et le procédé de détection de couple statique et dynamique pour système de turbomachine puissent être facilement adaptés également à une mesure fiable de caractéristiques de vibration d'arbre linéaire et non linéaire. Un désalignement mécanique, un mouvement avec frottement entre rotor et stator, une déformation d'arbres, un patinage d'accouplements et d'autres forces aléatoires sont normalement des causes amenant des rotors et des arbres à souffrir de couples statiques et dynamiques; tandis que des décalages de charge entre turbine à vapeur et alternateur, entre alternateur et engrenage de transmission et entre engrenage de transmission et turbine à gaz peuvent produire des oscillations de flexion et de torsion transitoires qui peuvent dépasser les niveaux de contrainte en régime permanent dans des conditions de charge maximale. Ces phénomènes vibratoires non linéaires transitoires peuvent induire en retour une usure de paliers, une déformation de flexion d'arbres et des forces de torsion intenses, et mettre en péril la stabilité d'un système de production d'électricité à turbine à vapeur, parmi d'autres effets. Pour une amélioration et une optimisation du rendement de production d'électricité, et pour un diagnostic et un pronostic d'événements de défaillance, un système de turbomachine doit être surveillé par un système de détection en ligne. Les modes de réalisation décrits dans la présente fournissent un moyen fiable de mesure de couple statique et dynamique, de vibrations linéaires et non linéaires d'arbres en rotation soit à l'intérieur de la turbine à vapeur, soit entre turbine à vapeur et alternateur, entre alternateur et engrenage de transmission et entre engrenage de transmission et turbine à gaz. Toute solution doit aussi être pratique pour une installation de sondes de détection dans un environnement difficile qui puisse satisfaire les conditions de fonctionnement requises en termes de température, humidité, pression, débit, etc. Des mesures de coefficients de transmission et de réflexion à base de fibres optiques peuvent être utilisées pour différentes applications de détection. L'émission de la lumière et la capture du signal doivent s'effectuer par des câbles hermétiquement fermés.
Chose plus importante, les signaux de détection destinés soit à interroger des paramètres statiques et dynamiques tels que des couples, soit à interroger des paramètres linéaires et non linéaires tels que des modes de vibration de flexion et de torsion, doivent être décodés et analysés.
I1 existe donc un besoin d'une sonde de détection à fibre déployable sur site et conditionnée de façon hermétique, d'un système et d'un procédé de détection de multiples paramètres et d'une solution d'installation appropriés pour détecter simultanément des paramètres statiques et dynamiques distribués dans un environnement extrêmement difficile, tel qu'un système de turbomachine en général et une turbine à vapeur en particulier. Un mode de réalisation de la présente invention comprend un diviseur optique de faisceau de fibres. Un tel dispositif optique divise efficacement la lumière provenant d'une seule source de lumière pour une transmission de lumière vers de multiples emplacements. La source de lumière, selon un mode de réalisation, comprend: une pluralité de fibres multimodes, configurées dans un agencement aléatoire, moitié-moitié, régulier ou coaxial. Ces fibres sont liées ensemble par un adhésif céramique haute température, et scellées par un matériau métallique tel que de l'acier inoxydable. Un autre mode de réalisation de la présente invention comprend une sonde de réflexion 1X2 à faisceau de fibres. Un tel dispositif optique délivre efficacement une source de lumière à un emplacement de détection, et capte en même temps un signal réfléchi par une surface d'arbre. I1 comprend: une pluralité de fibres multimodes, configurées dans un agencement aléatoire, moitié-moitié, régulier ou coaxial. Ces fibres sont liées ensemble par un adhésif céramique haute température, et scellées par un matériau métallique antioxydant tel que de l'Inconel. Une partie des fibres sont configurées pour une distribution de lumière et une partie des fibres sont configurées pour une capture d'un signal de détection. Un autre mode de réalisation de cette invention comprend un procédé de codage optique utilisant des rainures en V incorporées ou des motifs périodiques ou apériodiques produits par micro-usinage, et des lignes droites qui sont inscrites sur la circonférence d'un arbre. Le motif de codage apériodique est utilisé pour une détection de couple statique, tandis que les lignes périodiques et droites sont utilisées pour une détection de couple dynamique et de vibration de torsion.
Selon un autre mode de réalisation, il est proposé un système et procédé de détection par fibre optique qui comprend une source de lumière configurée pour envoyer de la lumière vers de multiples emplacements de surface d'arbre d'un système de turbomachine par l'intermédiaire d'un faisceau de l XN fibres optiques, la pluralité d'emplacements de surface d'arbre étant agencés dans une direction sensiblement axiale entre les extrémités d'au moins un arbre, de sorte qu'une pluralité de signaux de lumière réfléchie dynamique sont reçus en provenance de la pluralité d'emplacements de surface d'arbre pendant qu'au moins un arbre est chargé; le signal réfléchi provenant de n'importe quel emplacement étant capté par une sonde de réflexion 1X2 hermétiquement fermée; et les signaux provenant de multiples sondes de réflexion étant envoyés à un réseau de détecteurs photosensibles pour des analyses supplémentaires à la fois dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Les couples et la vibration de torsion sont codés soit par une rainure en V inscrite mécaniquement soit par des motifs produits par micro-usinage. Un mode de réalisation du système et procédé de détection par fibre optique comprend un réseau de détecteurs photosensibles, configuré pour détecter la lumière dynamique réfléchie par l'au moins une surface d'arbre du système de turbomachine en réponse à la lumière émise durant la rotation de l'au moins un arbre du système de turbomachine et générer des signaux de lumière réfléchie dynamique à partir de celle-ci. Les caractéristiques de couple et de vibration de l'arbre sont déterminées sur la base d'au moins une caractéristique des signaux de lumière réfléchie reçus en provenance de la surface d'arbre codée, à partir d'une excitation de lumière continue ou de lumière modulée en fréquence, et par un traitement de signaux à base de synchronisation.
Selon un autre mode de réalisation, un système de détection par fibre optique pour détecter des modes de vibration de flexion et un état de fonctionnement associé à un phénomène de vibration non linéaire d'un système de turbomachine comprend une source de lumière modulée en fréquence configurée pour émettre de la lumière vers de multiples emplacements de surface d'arbre d'un système de turbomachine par l'intermédiaire d'un coupleur optique l XN, les signaux de lumière réfléchie dynamique étant reçus par de multiples sondes de réflexion 1X2 hermétiquement fermées qui sont connectées à un réseau de détecteurs photosensibles pour des analyses de signaux à la fois dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Les sondes de réflexion à fibre sont agencées à une pluralité d'emplacements à proximité de la surface d'arbre qui ne nécessite pas une surface d'arbre codée de façon mécanique ou optique. Un mode de réalisation comprend en outre un réseau de détecteurs photosensibles, qui peuvent être des détecteurs à couplage de charge (CCD) ou des détecteurs métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire (CMOS), configuré pour détecter la lumière dynamique réfléchie par l'au moins une surface d'arbre du système de turbomachine en réponse aux signaux de lumière réfléchie dynamique provenant de celle-ci. Une transformée de Fourier rapide de la réflectance (facteur de réflexion) dynamique mesurée est utilisée pour déterminer un état de vibration linéaire et non linéaire, constant et instantané, du système de turbomachine. De préférence, les marques optiques sont distribuées à certains angles et/ou symétriquement autour de la circonférence de l'arbre.
Chaque ligne de transmission en fibre optique peut comprendre un faisceau de fibres ramifié sélectionné parmi des fibres en plastique, des fibres en silice et des fibres en saphir. Le mécanisme de détection peut comprendre un capteur de couple de norme "gold standard" acceptée par l'industrie pour une utilisation avec l'arbre de turbomachine, de sorte qu'une valeur d'angle de torsion d'arbre mesurée correspond à une valeur absolue de couple récupérée à partir d'une table de référence ou de formules, ou à partir d'une fonction de transfert d'étalonnage. Le mécanisme de détection peut comprendre un processeur de signaux configuré pour déterminer quand les signatures de réflectance de la lumière reçue à une longueur d'onde d'intérêt désirée dépassent un seuil désiré, déterminer des retards différentiels associés aux signatures des signaux réfléchis, déterminer une valeur d'angle de torsion d'arbre sur la base des retards différentiels des signaux réfléchis et déterminer un couple d'arbre sur la base de l'angle de torsion d'arbre; le processeur de signaux à reconnaissance de formes de signature de réflectance peut en outre être configuré pour supprimer par étalonnage toute différence entre des signaux réfléchis désirés afin de mitiger des différences mesurables indésirables entre les signaux réfléchis désirés. Les caractéristiques, aspects et avantages précédents de la présente invention, ainsi que d'autres, seront mieux compris à l'étude de la description détaillée suivante illustrée par les dessins annexés sur lesquels les mêmes numéros repèrent partout les mêmes composants et dans lesquels: - la figure 1 représente une instrumentation de détection par fibre optique de couple et de vibration d'un système de turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un schéma représentant le système de détection de couple par fibre optique sur la base de déphasages pour une turbine à vapeur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma représentant un système de codage et de traitement de signaux pour un capteur de couple à fibre optique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est un schéma simplifié représentant une technique pour déterminer une mesure de couple sur la base de déphasages différentiels entre de multiples points selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est un schéma représentant une condition de largeur de source de lumière pulsée pour une détection de couple selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est un schéma représentant des signaux de base, et des signaux de couple statique et dynamique mesurés en faisant varier la largeur d'impulsion d'une source de lumière d'entrée selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est un schéma représentant un faisceau de fibres ramifié pour délivrer une source de lumière à de multiples sondes de réflexion selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est un schéma représentant une sonde de réflexion avec une configuration à 6X1 fibres pour une émission de lumière et une réception de lumière en provenance de la surface d'arbre selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 représente la distance de configuration d'une sonde de détection de couple par rapport à la surface d'arbre et ses points de fonctionnement correspondants selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 représente des niveaux de réflectance en différents points de fonctionnement pour la sonde de détection de couple représentée sur la figure 9 ; - la figure 11 représente des procédés de codage de surface d'arbre comprenant des rainures en V et des lignes droites selon des modes de réalisation particuliers de l'invention ; - la figure 12 représente plus en détail trois motifs de codage de surface d'arbre représentés sur la figure 10 ; - la figure 13 représente des signaux de détection de couple obtenus à partir de différents motifs de codage en un seul point de fonctionnement ; - la figure 14 représente des signaux de couple statique obtenus par différentes sondes à partir d'une surface d'arbre codée par lignes droites dans un seul cycle ; - la figure 15 représente des signaux de couple statique obtenus par différentes sondes à partir d'une surface d'arbre codée par rainures en V dans un seul cycle ; - la figure 16 est une représentation graphique de détection de couple dynamique à partir d'un retard entre une première sonde et une k1ème sonde en fonction du temps ; - la figure 17 est une représentation graphique du signal réfléchi par une surface d'arbre codée par lignes périodiques selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 18 est une représentation graphique du couple mesuré et d'un angle de torsion correspondant selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 19 représente une partie d'un système de surveillance de vibration par fibre optique pour une turbine à vapeur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 20 représente une technique pour transmettre des signaux de lumière laser par l'intermédiaire d'un faisceau de fibres optiques à quatre sondes de réflexion et recevoir de multiples signaux réfléchis provenant des quatre sondes de réflexion en réponse à ceux-ci, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 21 représente des principes de détection de signaux de vibration de flexion basés sur la réflectance dynamique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 22 représente une technique de détection de signaux de vibration de torsion basés sur la réflectance dynamique multipoint selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 23 représente des signaux temporels de vibration de torsion basés sur la réflectance dynamique multipoint selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 24 représente un spectre de vibration de torsion basé sur la réflectance dynamique multipoint obtenu par une sonde selon un mode de réalisation de l'invention. Bien que les figures identifiées plus haut décrivent spécifiquement divers modes de réalisation, d'autres modes de réalisation de la présente invention sont également envisagés, comme indiqué dans la description. Dans tous les cas, cette description présente des modes de réalisation de la présente invention représentés à titre d'illustration et non de restriction. Les personnes ayant des compétences dans l'art pourront imaginer de nombreuses autres modifications et formes de réalisation incluses dans la portée et l'esprit des principes de cette invention. Un système de détection par fibre optique de couple statique et dynamique et de vibration en environnement difficile selon un mode de réalisation est décrit dans la présente pour améliorer le rendement de production d'électricité d'un système de turbomachine, ou pour surveiller l'état de dégradation et des événements de défaillance potentiels. Contrairement aux capteurs de proximité fixes, aux capteurs magnétostrictifs et aux capteurs magnétoélastiques classiques sensibles à la température, les modes de réalisation du système de détection par fibre optique de multiples paramètres décrits dans la présente sont insensibles à la température et multiplexés par des sondes à faisceau de fibres ramifié qui sont soit distribuées dans différents étages de pression d'une turbine à vapeur soit déployées entre turbine à gaz et alternateur, entre alternateur et engrenage de transmission, entre engrenage de transmission et turbine à gaz et/ou entre étages de compresseur, pour une surveillance d'état de santé structurale multipoint d'un système de turbomachine. La figure 1 représente par exemple une instrumentation 200 de détection par fibre optique de couple et de vibration d'un système de turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention. L'instrumentation 200 de détection par fibre optique de couple et de vibration est configurée pour effectuer une surveillance d'état ou de condition de fonctionnement multipoint d'une turbomachine à l'intérieur d'une turbine à vapeur 202, entre la turbine à vapeur 202 et un alternateur 204, entre l'alternateur 204 et un engrenage de transmission 206, entre l'engrenage de transmission 206 et une turbine à gaz 208, et à l'intérieur de la turbine à gaz 208. Le système de détection par fibre optique peut être localement distribué soit dans la turbine à vapeur soit dans la turbine à gaz, ou globalement distribué dans le système de turbomachine de la turbine à vapeur, l'alternateur et l'engrenage de transmission jusqu'à la turbine à gaz pour un diagnostic et un pronostic d'événements de défaillance et une surveillance de performances à long terme. Un mode de réalisation d'un système de détection par fibre optique décrit à présent à propos de la figure 2 pour des sondes de détection à faisceau de fibres déployées le long de la surface d'un arbre 24 comprend une source de lumière multicolore 12 (par exemple, des lasers à longueurs d'onde multiples ou des diodes électroluminescentes (DEL) à large bande) à rayonnement allant du visible (405-671 nm) au proche infrarouge (1,0-1,7 m), qui est soit modulée en durée d'impulsion de l'ordre de la microseconde soit employée en mode continu. La source de lumière est scindée en de multiples branches par un diviseur optique l XN et envoyée vers différentes zones 14, 16, 18, 20 sur la surface d'un arbre 24 de la turbomachine, chaque zone comprenant un mécanisme de codage 38 soit optique soit mécanique, des sondes de réflexion 1X2 à faisceau de fibres haute température 26, 28, 30, 32 sont utilisées pour recevoir un signal réfléchi à proximité de la surface d'arbre, et envoyer ces signaux à un réseau de détecteurs photosensibles 34 et une unité de traitement de signaux 36. Si la source de lumière est modulée, un amplificateur synchrone multivoie fournit la synchronisation nécessaire entre le réseau de détecteurs à photodiodes rapides 34 et la source de lumière multicolore 12. La source de lumière peut être à onde entretenue qui permet à toutes les sondes de réflexion 26, 28, 30, 32 de détecter des signatures de réflectance maximale de la surface d'arbre 14, 16, 18, 20 à codage optique. Le signal statique réfléchi par l'au moins une surface d'arbre du système de turbomachine est analysé par différenciation des signatures de réflectance obtenues à partir des signaux de n'importe quelle paire de sondes. La torsion ou couple statique de l'arbre est déterminé(e) à partir de la différence entre les signatures des signaux à codage optique de n'importe quelle paire de sondes de réflexion. La durée du signal lumineux est d'abord modulée pour permettre à toutes les sondes de réflexion 26, 28, 30, 32 de détecter une différence de réflectance maximale à partir des mécanismes de codage de surface d'arbre 38. Le signal dynamique réfléchi par l'au moins une surface d'arbre du système de turbomachine est analysé par différenciation du retard entre les signaux de n'importe quelle paire de sondes. Le retard est basé sur des signatures de réflectance induites par le codage d'arbre obtenues par n'importe quelle paire de sondes de réflexion. Le couple dynamique de l'arbre est ensuite déterminé par la vitesse de rotation de l'arbre, et le module d'élasticité du matériau de l'arbre. Une caractéristique offerte par le système de détection de couple dynamique 10 est que le couple peut être détecté soit par modulation de la durée d'impulsion de lumière pour qu'elle soit égale au temps nécessaire pour accrocher le retard induit par le couple, soit par différenciation du retard d'instant de montée du signal à partir des bords de bandes à haut pouvoir réfléchissant codées sur la surface d'arbre de turbomachine 24. En outre, la transformée de Fourier rapide (TFR) d'un signal de signature de réflectance pourrait permettre une analyse en ligne aussi bien de vibration de torsion que de modes vibratoires associés à un défaut. Une autre caractéristique offerte par le système de détection de couple statique et dynamique 10 est sa détermination de couple basée sur la phase, qui ne dépend pas de l'intensité du signal réfléchi et n'est donc pas défavorablement affectée par une dégradation de la réflectance ou une fluctuation de lumière par diffusion dues à une corrosion, une érosion de la surface d'arbre ou des contaminants dans le trajet optique entre les sondes de réflexion 26, 28, 30, 32 et les mécanismes de codage de surface d'arbre 38.
Une troisième caractéristique est un relativement plus grand dégagement (1-10 mm) entre la surface d'arbre de turbomachine 24 et les sondes de réflexion 26, 28, 30, 32, qui permet un procédé d'installation commode tolérant à la vibration de flexion ou de torsion et à la dilatation thermique radiale du rotor de turbomachine. Encore une autre caractéristique offerte par le système de détection de couple statique et dynamique 10 est sa source de lumière à longueurs d'onde multiples 12 qui assure que la détection de couple est insensible à l'humidité, aux hydrocarbures liquides et à la saleté grâce à une détection de couple simultanée différentielle avec soit deux soit de multiples longueurs d'onde de source de lumière. D'autre part, les mécanismes de codage de surface d'arbre entourant la circonférence de l'arbre mitigent davantage des signatures de réflectance potentiellement distordues en raison d'un mécanisme de codage contaminé par de la saleté. Un mode de réalisation du système de détection de couple 10 a révélé une résolution de détection de couple meilleure que 0,05 degré durant un fonctionnement à température de laboratoire et la résolution devrait être meilleure que 0,1 degré à environ 649°C (1200°F).
En résumé, un système de détection par fibre optique 10 fournit un instrument autonome qui peut être installé de façon simple dans un système de turbomachine, tel qu'une turbine à vapeur, pour une surveillance de couple d'arbre de rotor dans différents étages de pression. Les principaux composants de cet instrument sont une source de lumière (par exemple un laser multicolore, ou une DEL à large bande) 12, un diviseur optique à faisceau de fibres ramifié 22, un réseau de sondes de détection de réflectance 1X2 haute température 26, 28, 30, 32, un réseau de détecteurs photosensibles 34, un processeur de signaux 36 et un logiciel de traitement de signaux correspondant.
La surface d'arbre codée permet à ce système de détection par fibre optique de mesurer certains paramètres critiques tels que couple statique, couple dynamique et vibration de torsion du rotor. D'autres caractéristiques comprennent: Le système de détection par fibre optique 10 est une technologie basée sur un multiplexage en longueur d'onde intégré à un traitement de signaux codés à base de déphasage et de transformation de Fourier rapide (TFR). Le signal de détection est envoyé vers et reçu depuis la surface d'arbre codée 24 par des fibres 26, 28, 30 et 32 tolérantes aux températures élevées pour fournir un procédé de surveillance de condition de fonctionnement d'arbre qui est insensible à toute perturbation électromagnétique induite par fluctuation de puissance transitoire.
Les détections simultanées de couple et de vibration de torsion fournissent des procédés de détection aussi bien "statique" que "dynamique" avec un seul système de détection de réflectance par fibre optique qui peut être réduit à un sous-système tel qu'une turbine à gaz ou étendu à un système de turbomachine entier dans une centrale électrique. La combinaison des réponses statiques et dynamiques fournit une solution unique pour surmonter les problèmes des actuels capteurs de proximité fixes, extensomètres à résistance, capteurs magnétostrictifs et capteurs magnétoélastiques associés à une dérive de ligne de base et un réétalonnage fréquent, ainsi que les problèmes de perturbation électromagnétique. Etant donné qu'un système de turbomachine comprend une turbine à vapeur, une turbine à gaz et un alternateur, la plupart de ces sous-systèmes sont exploités à des températures allant de la température de laboratoire à environ 649°C (1200°F) et à diverses pressions, et soumis à diverses vibrations et dilatations thermiques de rotor qui peuvent sérieusement nuire à la fiabilité d'utilisation de ces capteurs. Les sondes de détection de réflectance 26, 28, 30, 32 à faisceau de fibres ramifié peuvent tolérer des températures et pressions élevées, et sont suffisamment souples pour être déployées en n'importe quelle position de surface d'arbre; et offrent ainsi un procédé de surveillance insensible aux conditions ambiantes. Les sondes de détection de réflectance à fibre optique 26, 28, 30, 32 peuvent être déployées sous la forme d'un réseau, et en conséquence, une seule source de lumière laser ou DEL peut être scindée en de multiples sondes de détection individuelles pour obtenir une meilleure résolution spatiale de mesure. Ainsi, un système de détection par fibre optique 10 est idéal pour des applications qui requièrent soit une détection localisée soit une surveillance d'état de fonctionnement d'arbre multipoint à grande échelle avec une haute résolution spatiale, telles que celles associées à des étages haute pression (HP), moyenne pression (MP) et basse pression (BP) de turbine à vapeur. L'utilisation de faisceaux de lumière à longueurs d'onde multiples dans le système permet une surveillance d'état d'arbre plus fiable par différenciation des signaux de détection à différentes longueurs d'onde simultanément chaque fois que des hydrocarbures liquides, des surfaces sales ou corrodées pourraient être des problèmes potentiels. Cela est dû au fait qu'une longueur d'onde spécifique peut être fortement absorbée par ces contaminants, ce qui peut se traduire par des signaux faibles ou même perdus, tandis que d'autres longueurs d'onde peuvent avoir une faible absorption seulement de sorte que la différence de deux faisceaux faiblement absorbés peut fournir un procédé de mesure fiable d'un paramètre dans un environnement difficile. Le retard à partir d'un mécanisme de codage optique (par exemple, des bandes réfléchissantes codées de l'arbre) 38 et l'intercorrélation à base de TFR et le filtrage de signaux de capteurs par le processeur de signaux 36 pour récupérer l'enveloppe à bruit supprimé et la porteuse de la fonction d'intercorrélation constituent une technologie d'analyse et de surveillance de couple aussi bien statique que dynamique, en ligne et en temps réel. Selon un mode de réalisation, des bandes réfléchissantes codées sur la surface d'arbre ayant une série de lignes régulièrement espacées créent des signaux à composante continue + porteuse périodique provenant de chaque sonde de réflexion. Selon un autre mode de réalisation, une bande réfléchissante codée sur la surface d'arbre avec une série de lignes espacées à fréquence modulée, ou irrégulières, crée une porteuse à fréquence modulée continue dans le signal provenant de chaque sonde de réflexion. Un signal ainsi codé fournit des signatures de réflectance uniques pour une détection de paramètres statiques et dynamiques tels que couple et modes de vibration de torsion. L'intercorrélation à base de TFR et le filtrage de signaux réfléchis pour récupérer l'enveloppe à bruit supprimé et la porteuse de la fonction d'intercorrélation élimine avantageusement toute dégradation de la précision de détection induite par d'éventuelles variations potentielles du facteur de réflexion du faisceau lumineux. Cela est réalisé en obtenant d'abord un décalage grossier à partir de l'enveloppe puis un décalage affiné (inférieur à une demi-période de la porteuse) à partir de tout déphasage de porteuse pour déterminer une déformation mécanique associée à un déplacement angulaire et une torsion ou déplacement angulaire de surface d'arbre. Cette technique permet non seulement une surveillance d'état de couple statique et dynamique, mais fournit en outre avantageusement un procédé direct pour mesurer simultanément une vibration de torsion ou de flexion de rotor par analyse TFR de signaux retardés. La figure 3 est un schéma représentant un système 70 de codage et de traitement de signaux approprié pour une utilisation avec un système de détection par fibre optique 10 selon un mode de réalisation de l'invention. La technologie de détection de couple par déphasage décrite plus haut et le procédé et système 70 de traitement de signaux à base de TFR peuvent être utilisés ensemble pour une détection simultanée de couple statique et dynamique de rotor à capacité d'auto-étalonnage, indépendamment des variations de température ambiante et d'imperfections de la surface d'arbre dues à une corrosion et une érosion, entre autres. En outre, la technologie décrite plus haut d'analyse de la signature de réflectance, au lieu de l'intensité lumineuse réfléchie absolue, et le procédé et système 70 de traitement de signaux à base de TFR peuvent fournir des réponses basées sur un déplacement angulaire numérisé pour une détection de paramètre qui est beaucoup plus fiable que des technologies de détection analogiques classiques basées sur l'intensité ou la réflectance. Le diviseur à faisceau de fibres ramifié 22 et les sondes de détection de couple coaxiales 26, 28, 30, 32 décrites plus haut fournissent un système qui élimine le besoin d'alignement optique, améliorant fortement la disponibilité du système et réduisant les exigences de maintenance du système.
Le système de codage et de traitement de signaux 70 crée des signaux à composante continue + porteuse périodique ou composante continue + porteuse à fréquence modulée apériodique sur la base des signaux de lumière (laser ou DEL) pulsée réfléchie provenant des bandes réfléchissantes 38 de l'arbre de turbomachine qui sont codées, selon un mode de réalisation, avec une série de lignes espacées régulièrement ou avec une fréquence modulée pour un codage d'informations de couple et de vibration de torsion. Les mécanismes de codage optique 38 selon un mode de réalisation sont associés à une rainure en V ou un code à barres métalliques incorporé à des emplacements désirés sur la surface d'arbre 24 qui réfléchissent le signal de lumière incidente (laser ou DEL), comme décrit plus haut. La surface de l'arbre de turbomachine 24 peut elle-même être modifiée par modification, sans restriction, de la texture de surface pour former des zones ayant des profondeurs différentes par rapport à d'autres zones de la surface de l'arbre. Le mécanisme de codage optique 38 peut être mis en oeuvre, par exemple, par formation d'une rainure en V dans la surface de l'arbre à des emplacements désirés de sorte qu'un retard correspondant peut être détecté à partir de n'importe quelle paire d'emplacements de rainure en V pour déterminer une valeur d'angle de torsion d'arbre qui peut être utilisée pour déterminer le couple d'arbre. Le mécanisme de codage optique appliqué sur ou dans l'arbre de la turbomachine peut également être mis en oeuvre, sans restriction, en fixant ou en créant autrement un motif périodique ou à fréquence modulée apériodique ou un motif à ligne droite unique sur ou dans la surface de l'arbre à des emplacements désirés pour pouvoir détecter le retard correspondant. Une intercorrélation 64 à base de TFR 68 et un filtrage 66 de signaux de capteur 62 servent à récupérer une enveloppe à bruit supprimé et une porteuse de la fonction d'intercorrélation pour un traitement de signaux. Une estimation grossière (décalage brut) 76 est obtenue à partir de l'enveloppe à bruit supprimé, et un décalage affiné (inférieur à une demi-période de la porteuse) 72 est obtenu à partir du déphasage de la porteuse afin de fournir une estimation de déphasage à haute précision 74 qui peut ensuite être utilisée pour supporter une détermination précise des informations de torsion et de vibration d'arbre désirées. De la lumière est donc appliquée à la surface de l'arbre 24 par l'intermédiaire d'un diviseur optique à faisceau de fibres ramifié 22. La source de lumière peut être, sans restriction, une source de lumière à DEL, une source de lumière à laser, ou une source de lumière à large bande telle qu'une source de lumière blanche, ou une source de lumière multichromatique qui est robuste à une contamination de l'arbre etc. comme indiqué plus en détail dans la présente. Un arbre à l'état neuf ou parfait nécessitera une seule longueur d'onde de lumière pour fournir un système et un procédé selon les principes décrits dans la présente. Selon un mode de réalisation, le diviseur de faisceau de fibres optiques 22 est un faisceau de fibres qui reçoit de la lumière provenant d'une source de lumière 12 comme décrit plus haut, et la ramifie (scinde) en fibres optiques séparées vers des zones spécifiques de la surface d'arbre de turbomachine 24. Chaque branche de la division sera associée à une amplitude de lumière qui est différente de celle associée à d'autres branches de la division en raison des différences relatives de distance entre les branches que la lumière doit parcourir. La longueur d'onde sera toutefois la même pour chaque branche de sorte que la signature de lumière reste constante aux extrémités des branches. Une transmission de multiples longueurs d'onde de lumière par l'interconnexion de fibres optiques peut se dérouler simultanément selon les principes décrits dans la présente. Une interconnexion de fibres optiques selon un mode de réalisation est décrite plus en détail plus bas à propos de la figure 7. Un tel dispositif optique comprend une pluralité de fibres multimodes, configurées dans un agencement aléatoire, moitié-moitié, régulier ou coaxial. Ces fibres sont liées ensemble par un adhésif céramique haute température, et scellées par un matériau métallique tel que de l'acier inoxydable (plage de fonctionnement allant jusqu'à 816°C (1500°F)).
Chaque branche de l'interconnexion de fibres optiques est couplée à une sonde de réflexion 26, 28, 30, 32 qui a une branche d'incidence/émission et une branche de détection/mesure. La branche d'incidence applique/émet la lumière incidente vers la surface de l'arbre, tandis que la branche de mesure détecte la lumière modifiée qui est réfléchie par la surface de l'arbre en réponse à la lumière incidente. Chaque sonde de réflexion est placée à proximité étroite de la surface de l'arbre. Un mode de réalisation d'une sonde de réflexion est décrit plus en détail plus bas à propos de la figure 8. La sonde de réflexion à faisceau de fibres 1X2 comprend une pluralité de fibres multimodes, configurées dans un agencement aléatoire, moitié-moitié, régulier ou coaxial. Ces fibres (plage de fonctionnement allant jusqu'à 1093°C (2000°F)) sont liées ensemble par un adhésif métallique haute température (plage de fonctionnement allant jusqu'à 1093°C (2000°F)), et scellées par un matériau métallique antioxydant, tel que de l'Inconel 625 (plage de fonctionnement allant jusqu'à 1149°C (2100°F)). La branche de mesure de la sonde de réflexion est couplée à un mécanisme de détection photosensible tel qu'un réseau de photocapteurs 34, ou un CCD ou CMOS. La signature de réflectance de la lumière réfléchie à la ou aux longueurs d'onde d'intérêt est mesuré par l'intermédiaire du mécanisme de photodétection, qui génère le ou les signaux d'intérêt. Le traitement de signaux commence par d'abord supprimer par étalonnage d'éventuelles différences entre signaux réfléchis reçus en provenance de différents emplacements le long de l'arbre de turbomachine pour qu'il n'existe aucune différence mesurable entre les signaux mesurés transportés par les fibres pendant que l'arbre est statique. Tout ce qui peut contribuer à une erreur de mesure de couple est donc retiré du calcul de couple.
En gardant à l'esprit la structure et les principes précédents, tout couple appliqué provoquera une torsion dans l'arbre de turbomachine qui entraînera un changement de l'alignement initial entre les sondes de réflexion. Tout changement dans les signatures de réflectance entre les sondes de réflexion à fibre est mesuré pour récupérer des informations de signaux qui peuvent être utilisées pour déterminer un changement respectif de torsion de l'arbre (valeur de torsion) et sa variation dynamique dus à des couples statique et dynamique. Les informations de couple et de vibration de torsion d'arbre désirées (valeur de couple) sont déterminées à partir de la valeur de torsion et de sa dépendance temporelle. La valeur de couple peut être déterminée par l'une de deux techniques. La première technique est par étalonnage à l'aide de capteurs de couple de norme "gold standard" acceptée qui lient la valeur mesurée de torsion à une valeur absolue de couple en utilisant une table de référence. La seconde technique est par approche analytique à l'aide de formules pour calculer un couple en fonction de la valeur de torsion mesurée, et dépend de caractéristiques de l'arbre telles que géométrie, module élastique de matériaux, etc. Ces formules et une fonction de transfert sont incorporées dans le logiciel de traitement de signaux. L'utilisation d'une instrumentation à base de fibres optiques décrite dans la présente évite avantageusement le besoin de lentilles spéciales, prismes, réseaux de diffraction et autres outils similaires du métier lorsqu'il s'agit d'optique sans fil, pour éviter des problèmes d'alignement, des problèmes liés aux variations de température qui influent sur la distance focale, la profondeur focale, etc. L'utilisation de mécanismes à fibre optique décrite dans la présente mitige étalement des problèmes liés à des propriétés mécaniques dépendantes de la température de supports de lentille optique, d'étages et de pièces métalliques. Une détermination de valeurs de couple sur la base de mesures de phase uniquement peut créer des ambiguïtés parmi les signaux mesurés. Ces ambiguïtés peuvent être mitigées selon un mode de réalisation par application de techniques de traitement de signaux de signature de réflectance à codage optique, comme décrit plus haut à propos de la figure 3. L'utilisation de fibres optiques et de techniques de détection distribuée comme décrit dans la présente permet avantageusement d'utiliser un seul ensemble d'instrumentation pour supprimer le besoin de détecteurs individuels. Une source de lumière à large bande ayant des longueurs d'onde multiples peut être employée pour mettre en oeuvre un système de détection de multiples paramètres qui peut pénétrer différents types de contamination de l'arbre pouvant apparaître au cours du temps, selon des modes de réalisation de l'invention décrits plus haut. En outre, l'utilisation de faisceaux de fibres ramifiés comme décrit dans la présente procure un système de détection robuste qui est insensible, sans restriction, aux températures élevées, aux hauts niveaux d'humidité et de vapeurs chimiques tels que ceux associés à l'insuccès d'un système optique sans fil qui peuvent provoquer un détraquement et une défocalisation de lentilles. La figure 4 est un schéma simplifié représentant une technique pour déterminer une mesure de couple sur la base de déphasages différentiels entre de multiples points selon un mode de réalisation de l'invention. La surface d'un arbre de turbomachine 24 comprend une ou plusieurs bandes réfléchissantes codées 38 avec une série de lignes régulièrement espacées selon un aspect de l'invention. Un couple appliqué à l'arbre de turbomachine 24 provoque une torsion de l'arbre se traduisant par un déplacement angulaire 40 de l'arbre 24. Des faisceaux de fibres ramifiés 42, 44 constituent un milieu de transmission pour émettre des faisceaux laser pulsés vers la surface d'arbre 24 et pour recevoir les signaux réfléchis par celle-ci. Les signaux réfléchis sont reçus par des détecteurs photosensibles 34 comme représenté sur la figure 2. Le déphasage entre deux sondes de réflexion peut être déterminé par leur différence de temps par rapport à leur position de pic de réflectance maximale dans le domaine temporel.
Un signal temporel de base ou initial 48 est mesuré sur la base d'un faisceau laser pulsé transmis par la fibre optique 42. Un autre signal retardé 50 est mesuré sur la base du faisceau laser pulsé transmis par la fibre optique 44. Plus spécifiquement, un déplacement dû au couple (déplacement de torsion) 40 est déterminé sur la base d'une différence de retard entre les signaux réfléchis reçus en réponse aux faisceaux laser pulsés émis vers la surface d'arbre codée 14, 16, 18, 20 etc. Le déplacement dû au couple 40 de la ou des bandes réfléchissantes 38 peut être représenté par : déplacement dû au couple Aa = At x v, où At est la différence de temps et v est la vitesse angulaire de rotation de l'arbre. Le déphasage réel peut être représenté par : déphasage 0 = Aa/R, où 0 est le déplacement angulaire de la ou des bandes réfléchissantes 38 et R est le rayon correspondant de l'arbre. Etant donné que de multiples points sont mesurés sur la surface d'arbre 24, tous les signaux détectés peuvent être sélectionnés électroniquement dans le temps pour obtenir tous les déphasages qui correspondent à un couple à différents emplacements. La figure 5 est un schéma représentant des conditions de largeur de source de lumière pulsée pour une détection de couple selon un mode de réalisation de l'invention. On peut observer que la durée 'r de la source de lumière appliquée joue un rôle dans la détermination du déplacement dû au couple 4a. En pratique, une source de lumière continue peut aussi être utilisée pour une détection de couple, le retard étant obtenu par différenciation des signatures de réflectance dans le domaine temporel des signaux de deux sondes de réflexion spatialement séparées. Dans une situation simple, cette signature correspond au pic de réflexion maximale lorsque le signal réfléchi présente un profil de type à pic unique. Dans une autre situation, cette signature correspond à un ou plusieurs pics secondaires d'une enveloppe du signal qui provient d'un mécanisme de codage optique périodique ou apériodique. Toutefois, l'utilisation de la source de lumière pulsée est plus appropriée pour une surface d'arbre rouillée ou contaminée par de la saleté afin d'éviter des signaux parasites provenant de surfaces d'arbre irrégulières, et fournit de ce fait un procédé plus fiable pour un diagnostic et un pronostic d'événement de défaillance du système de turbomachine. Une détection simultanée de retard et de vibration de torsion du rotor fournit une détection de couple aussi bien statique que dynamique avec un seul système de détection de couple par fibre optique comme décrit plus haut. Cette combinaison de deux réponses détectées fournit une nouvelle solution qui surmonte des problèmes associés aux actuels capteurs de proximité fixes, extensomètres, capteurs magnétostrictifs et capteurs magnétoélastiques, incluant sans restriction une dérive de ligne de base et la nécessité d'un réétalonnage fréquent.
La figure 6 est un schéma représentant un ensemble de signaux de base 80 provenant de multiples sondes de réflexion à faisceau de fibres, ainsi que des signaux à retard induit par couple statique et dynamique 82 mesurés en faisant varier la largeur d'impulsion de la source de lumière d'entrée, comme représenté sur la figure 5, selon un mode de réalisation de l'invention. Le déclenchement de la source de lumière est synchronisé pour accrocher des signaux de couple aussi bien statique que dynamique. La figure 7 est un schéma représentant un diviseur à faisceau de fibres ramifié 90, ou 22 sur la figure 2, pour délivrer une source de lumière 12 à de multiples sondes de réflexion selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, les fibres optiques divisées 92 peuvent être déployées sous la forme d'un réseau; et une source de lumière laser 12 unique peut donc être scindée en de multiples sondes émettrices 94 individuelles pour obtenir une meilleure résolution spatiale de mesure. Le système de détection 10 est donc approprié pour des applications qui requièrent de surveiller de multiples points et de multiples paramètres avec une haute résolution spatiale, telles que des étages HP, MP et BP d'une turbine à vapeur ou un système de turbomachine entier.
De nouveau à propos de la figure 2, le système de détection par fibre optique 10 emploie une détection simultanée différentielle de multiples paramètres avec soit trois longueurs d'onde séparées et distinctes de lumière laser soit une diode électroluminescente à large bande. Le système de détection par fibre optique 10 peut être employé dans des applications temps réel pour système de turbomachine incluant sans restriction une surveillance et un contrôle d'état de déformation mécanique d'arbre de rotor de turbine à vapeur (couple statique et dynamique, vibration de flexion du rotor, etc.) afin d'améliorer le rendement de production d'électricité. Le système de détection par fibre optique 10 est plus robuste et fiable pour des applications de détection d'état ou de condition de fonctionnement d'un système en rotation que des capteurs de proximité fixes, des capteurs magnétostrictifs et des capteurs magnétoélastiques connus, sensibles à la température. Le système de détection par fibre optique 10 peut par exemple fonctionner à des températures d'environ 649°C (1200°F), supérieures à celles de nombreux dispositifs et systèmes de détection de couple classiques connus car la sonde de détection, c'est-à-dire fibres plus conditionnement, peut supporter un fonctionnement à haute température. La figure 8 est un schéma représentant une sonde de réflexion 1X2 100 ayant une configuration à 6X1 fibres pour une distribution de lumière et une réception par réflexion depuis la surface d'arbre 24 selon un mode de réalisation de l'invention, et qui est appropriée pour une utilisation avec un système de détection par fibre optique 10 pour mettre en oeuvre les sondes de détection de réflectance à faisceau de fibres haute température 26, 28, 30 et 32 représentées sur la figure 2, contrairement à des structures à réseau de Bragg sur fibre ou à pas long, rendant le système 10 idéal pour une détection de paramètres statiques et/ou dynamiques. La fibre centrale 102 est utilisée pour une distribution du faisceau laser qui provient du diviseur optique, et six fibres coaxiales 104 sont utilisées pour capter le signal de diffusion provenant de la surface d'arbre codée 24 du rotor et l'acheminer vers un élément d'un réseau de détecteurs photosensibles 34. La structure de faisceau à 6X1 fibres coaxiales à simple bifurcation remplace avantageusement un accéléromètre en tant que sonde de détection de vibration de flexion de rotor pour fournir une détection simultanée de couple et de modes de vibration de torsion et de flexion à l'aide d'un seul instrument de détection. La structure de faisceau bifurqué à 6X1 fibres coaxiales satisfait de façon efficace et avantageuse les exigences de multiplexage à un coût de système sensiblement réduit par rapport aux systèmes de détection de couple classiques. Une sonde de détection de réflectance 100 peut être configurée dans l'une de nombreuses configurations de fibres, telles qu'un agencement aléatoire, moitié-moitié, coaxial et autres, pour distribuer la lumière et recevoir la lumière réfléchie par la surface d'arbre 24 selon un mode de réalisation de l'invention. Une telle sonde de détection de réflectance 100 fournit une solution pour une détection de couple statique et/ou dynamique d'étages BP, MP et HP d'une turbine à vapeur, ainsi que pour une détection de vibration de torsion et de flexion. Une telle sonde de détection de réflectance 100 est bien adaptée à un diagnostic et un pronostic d'état de fonctionnement à multiples paramètres et multiples emplacements d'un système de turbomachine. Les procédés et systèmes de détection de réflectance à source de lumière à longueurs d'onde multiples et à base de déphasage décrits dans la présente ne dépendent pas de la réflectance absolue et de la fonction de diffusion de la surface d'arbre du rotor. Ces procédés et systèmes sont au contraire basés sur des signatures de réflectance codée, un ou des retards d'instant de montée de signal induits par contraste, et des déphasages, ainsi que sur des signatures de fréquence. Ces reconnaissances de formes et différenciations de signatures mitigent fortement les imperfections de surface d'arbre incluant sans restriction des fluctuations de réflectance induites par corrosion/érosion, huile et eau, ce qui ne peut pas être obtenu avec les systèmes et procédés de détection de couple connus. En outre, les structures des sondes de réflexion à faisceau de fibres à conditionnement haute température décrites dans la présente tolèrent des fluctuations de température interne d'une turbine à vapeur qui affecteraient dans le cas contraire la précision de détection de couple, puisque la fluctuation de réflectance induite par rayonnement thermique est négligeable quand T < 649°C (1200°F).
Les structures des sondes à faisceau de fibres à conditionnement haute température décrites dans la présente peuvent également employer un agencement de fibres aléatoire, moitié-moitié et coaxial pour permettre des dégagements par rapport à l'arbre allant d'environ 1 mm à environ 10 mm afin d'offrir une flexibilité et une tolérance maximales et de mitiger une vibration de flexion et une dilatation thermique du rotor ainsi qu'une déformation mécanique de l'arbre dépendant de la température et de la pression. Le coeur de fibre dans chaque faisceau de fibres, selon un mode de réalisation, a un diamètre allant de 50 micromètres à quelques centaines de micromètres avec une surface métallisée au Ni, Ti ou Au pour des applications T > 538°C (1000°F), ou polyimide pour des applications T < 427°C (800°F). Ces fibres sont liées ensemble et scellées dans une bague métallique par un adhésif métallique résistant à 1093°C (2000°F).
La figure 9 représente la détection de signaux par une sonde de détection de réflectance 104 placée à une distance d 106 de la surface d'arbre 24 et ses points de fonctionnement soit en 108 soit en 110 selon un mode de réalisation de l'invention. La sonde de réflexion peut être installée à deux distances typiques de la surface de l'arbre, la première distance de travail 108 fournissant une haute sensibilité grâce à une courte distance, tandis que la seconde distance de travail 110 permet à la sonde de détection d'être positionnée plus loin de la surface de l'arbre. Ces distances de travail permettent la détection de déplacement dynamique fluctuant, de vibration de flexion, de dilatation thermique et d'événements de défaillance non linéaires de l'arbre. La figure 10 représente des niveaux de réflectance en différents points de fonctionnement pour la sonde de détection de couple représentée sur la figure 9.
La figure 11 représente des procédés de codage de surface d'arbre 24 tous les 90°, incluant des rainures en V 112 et des lignes droites 114 selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, et qui sont appropriés pour mettre en oeuvre le codage optique 38 représenté sur la figure 2. Ces mécanismes de codage peuvent être distribués le long de la circonférence de l'arbre avec un écartement angulaire de 360°, 180°, 90°, 60°, 30°, etc. La figure 12 représente plus en détail trois motifs de codage de surface d'arbre 120, 122, 124, appropriés pour mettre en oeuvre les rainures en V 112 et les lignes droites 114 représentées sur la figure 11. La rainure en V peut être formée par une opération de micro-usinage laser ou de marquage laser directement sur la surface de l'arbre; deux autres procédés peuvent aussi être basés sur une opération de micro-usinage ou marquage laser, produisant soit une ligne droite unique soit des lignes droites périodiques et apériodiques (à fréquence modulée) sur une feuille d'acier CrMoV pour une section HP/MP, et d'acier NiCrMoV pour une section BP. Dans la zone de couplages pour des mesures de couple de section, un diamètre d'arbre typique va de 254 mm (10") à 762 mm (30"). Les dimensions requises de la feuille de codage pourraient être de 10 mm (longueur) X 5 mm (largeur) X 0,1 mm (épaisseur), le choix d'épaisseur de la feuille métallique devant produire une variation importante de la signature de réflectance. La figure 13 représente des signaux de détection de couple obtenus à partir de différents motifs de codage, incluant des signaux de détection 130 provenant d'une surface d'arbre codée par lignes droites périodiques ou à fréquence modulée et des signaux de détection 132 provenant d'une surface d'arbre codée par rainures en V, tous dans un seul cycle en un point de fonctionnement arrière 110 sur la figure 10. Dans le domaine fréquentiel, la fréquence naturelle de rotation d'arbre devrait être de 30-60 Hz pour un système tournant à 1800-3600 tr/min. Pour un codage optique tous les quarts de tour, quatre marques de codage ont normalement des retards constants entre elles. Un couple statique, un couple transitoire et des vibrations pourraient amener ces retards à varier avec le temps et à dépendre des conditions de fonctionnement en temps réel du système de turbomachine. La figure 14 représente des signaux retardés 130 associés à différentes sondes de réflexion en réponse à une surface d'arbre codée par lignes droites périodiques ou à fréquence modulée dans un seul cycle pour une détection de couple statique et dynamique. La figure 15 représente des signaux de couple statique et dynamique 132 associés à différentes sondes en réponse à une surface d'arbre codée par rainures en V dans un seul cycle. La figure 16 est une représentation graphique d'un signal de détection de couple dynamique 134 basé sur un retard entre une première sonde et une k1ème sonde en fonction du temps, obtenu d'après les figures 14 et 15, selon un mode de réalisation de l'invention. Le signal moyen représente alors une valeur de couple statique. La figure 17 est une représentation graphique du signal de réflexion 140 provenant d'une surface d'arbre codée par lignes droites périodiques ou à fréquence modulée 142 selon un mode de réalisation de l'invention. Le signal de réflexion mesuré 140 provenant de lignes droites périodiques montre comment la signature du signal de réflexion est modulée périodiquement par le procédé de codage optique. Pour une détection de couple statique dans laquelle l'arbre est chargé, un codage par lignes droites à fréquence modulée est préféré. La figure 18 est une représentation graphique du couple mesuré et de l'angle de torsion correspondant selon un mode de réalisation de l'invention. Les principes décrits plus haut à propos des figures 1-18 peuvent également être appliqués comme décrit plus bas à propos des figures 19-24, pour surveiller des vibrations de flexion et de torsion (aussi bien linéaires que non linéaires) d'arbres entre turbine et alternateur qui peuvent produire des oscillations transitoires dépassant les niveaux de contrainte en régime permanent dans des conditions de charge maximale. L'instrumentation de détection par fibre optique de multiples paramètres d'un système de turbomachine décrite plus en détail plus bas est utile pour surveiller des vibrations de flexion et de torsion de rotors et d'arbres au niveau de différentes sections qui peuvent produire des oscillations transitoires dépassant les niveaux de contrainte en régime permanent dans des conditions de charge maximale, comme indiqué plus haut. Ces phénomènes vibratoires non linéaires transitoires peuvent induire une usure de paliers, une déformation de flexion d'arbres et une force de torsion élevée, et mettre en péril la stabilité d'un système de production d'électricité à turbine à vapeur, entre autres. Une technologie de détection de vibration classique, telle que des accéléromètres, extensomètres, capteurs de proximité et tachymètres, peut être limitée soit par les conditions ambiantes difficiles d'une turbine à vapeur incluant sans restriction température, pression, vapeur ou humidité et débit élevé, soit par leur nature de capteurs à contact et électriques. Les modes de réalisation du système de détection par fibre optique de couple et de vibration décrits plus bas à propos des figures 18-23 sont orientés vers un diagnostic et un pronostic de défaillance pour un système de turbomachine qui sont avantageusement insensibles à la fois à la température et aux perturbations électromagnétiques.
La figure 19 représente une partie d'un système de surveillance de vibration par fibre optique 210 pour une turbine à vapeur 212 selon un mode de réalisation de l'invention. Le mécanisme de détection est mis en oeuvre par des faisceaux de fibres ramifiés 214 qui émettent de la lumière à longueurs d'onde multiples, par exemple des faisceaux laser, vers une surface d'arbre à codage optique 216 et reçoivent également des signaux de réflexion dynamique provenant de la surface d'arbre 216 pour les acheminer jusqu'à un réseau de photodétecteurs rapides 218. La source de lumière incidente est modulée périodiquement; et les signaux de réflexion dynamique reçus en provenance de la surface d'arbre à codage optique 216 sont détectés par le réseau de photodétecteurs rapides 218. Les signaux de réflexion détectés sont analysés par un système d'acquisition de données multivoie selon un mode de réalisation de l'invention.
Des vibrations aussi bien de flexion que de torsion sont obtenues par analyse spectrale des signaux de réflexion dynamique à l'aide de techniques de transformation de Fourier rapide en réponse à la fréquence naturelle de rotation de l'arbre allant de la composante fondamentale à des composantes harmoniques d'ordres plus élevés. Plus spécifiquement, les modes de torsion transitoire qui correspondent à des cycles de déformation à relativement grande amplitude peuvent être identifiés par des oscillations haute fréquence instantanées comme décrit plus en détail plus bas.
Les procédés et l'instrumentation de détection de vibration décrits dans la présente peuvent tout aussi facilement être utilisés pour mesurer des phénomènes dynamiques non linéaires transitoires de couple d'arbre, comme décrit plus haut, qui peuvent être associés à des événements de défaillance de ligne de transmission. Des caractéristiques des techniques de détection de vibration décrites dans la présente sont relatives à l'élimination de toute exigence de contact et à une insensibilité à l'humidité, à la pression et aux phénomènes dynamiques d'écoulement de combustible/gaz. D'autres caractéristiques comprennent sans restriction une détection simultanée à la fois de caractéristiques de vibration et d'effets non linéaires associés relatifs à un diagnostic et un pronostic de défaillance d'un système de turbomachine. Un avantage important offert par les techniques et topologies de système de détection de vibration décrites dans la présente concerne la distribution de multiples sondes de détection dans un système de turbomachine qui peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à environ 649°C (1200°F). Bien que des modes de réalisation particuliers soient décrits dans la présente pour des systèmes et des procédés de mise en oeuvre de détection de vibration, une surface d'arbre à codage optique comme décrit plus haut pour une détection de couple statique et dynamique peut être non nécessaire pour détecter des caractéristiques de vibration de flexion, bien qu'elle soit nécessaire pour détecter des caractéristiques de vibration de torsion. Cela est dû au fait que le signal de détection de vibration est analysé dans le domaine fréquentiel par observation du mode de fréquence fondamentale de l'arbre jusqu'à des composantes harmoniques d'ordres élevés, comme indiqué plus haut.
La figure 20 représente une technique pour transmettre des signaux de lumière laser 220 par un faisceau de fibres optiques 226 et recevoir de multiples signaux réfléchis 224 en réponse à ceux-ci, selon un mode de réalisation de l'invention. Les dispositifs et mécanismes représentés sur la figure 20 forment un système de surveillance et de diagnostic en ligne de vibration de flexion/torsion multipoint non intrusif, qui peut détecter une plage de fréquences de vibration allant de la fréquence fondamentale de rotation naturelle de l'arbre jusqu'à des composantes harmoniques d'ordres plus élevés, qui sont une forme de défaut courant d'un arbre turbine à vapeur û alternateur. Le système résultant permet une analyse de signaux de couple dynamique par des techniques de transformation de Fourier rapide (TFR) de la réflectance dynamique mesurée d'une surface d'arbre à codage optique comme décrit plus haut. Le dispositif de détection comprend un diviseur optique à faisceau de fibres ramifié 226 qui transmet des faisceaux laser à longueurs d'onde multiples vers la surface de l'arbre et des sondes de détection de réflectance 228 qui reçoivent des signaux de réflexion dynamique provenant de la surface de l'arbre et les transmettent à un réseau de photodétecteurs 230, selon un mode de réalisation. Les faisceaux laser incidents sont modulés périodiquement d'une onde entretenue à une onde carrée de l'ordre du kHz; et les signaux de réflexion dynamique reçus sont détectés par un réseau de photodétecteurs rapides 230. Les signaux détectés sont ensuite analysés par un système d'acquisition de données multivoie selon un mode de réalisation.
Dans des conditions de fonctionnement d'arbre normales qui correspondent à l'état d'équilibre stable, le signal de vibration aléatoire basse fréquence observé, bien qu'il soit faible, pourrait être le résultat d'un mouvement avec frottement entre rotor et stator, d'une déformation d'arbres, d'un patinage d'accouplements et d'autres forces aléatoires. Des modes de vibration de flexion sont principalement dus à un désalignement mécanique du système en rotation, un déséquilibre, une distribution de température et une courbure préalable; tandis que la vibration de torsion peut être due à une dynamique de couple induite par des variations des conditions de charge de l'arbre et des variations transitoires de la vitesse de rotation. Des forces d'excitation extérieures inconnues, une commutation de puissance transitoire et un fonctionnement instable du système global peuvent également induire des modes de vibration non linéaires transitoires qui pourraient avoir de grandes amplitudes de vibration. La figure 21 représente des principes de détection de signaux de vibration de flexion basés sur la réflectance dynamique selon un mode de réalisation de l'invention. Une surface d'arbre codée comme indiqué plus haut n'est pas nécessaire pour une mesure de vibrations aléatoires et de flexion puisqu'une analyse spectrale dans le domaine fréquentiel de la réflectance dynamique peut elle-même être utilisée pour déterminer un état ou des conditions de charge normale, comme indiqué plus haut. La figure 22 représente une technique de détection de signaux de vibration de torsion basés sur la réflectance dynamique multipoint selon un mode de réalisation de l'invention. La détection d'une vibration de torsion transitoire qui est associée à un couple d'arbre dynamique emploie de préférence une surface d'arbre codée comme décrit plus haut, selon un mode de réalisation de l'invention. Le couple dynamique est déterminé par un déphasage de la signature de codage dans le domaine temporel, tandis que la vibration de torsion induira des composantes harmoniques haute fréquence dans le domaine fréquentiel qui sont des multiples entiers de la fréquence naturelle fondamentale de vibration de l'arbre comme représenté sur la figure 23 qui représente un signal temporel de vibration de torsion basé sur la réflectance dynamique multipoint selon un mode de réalisation de l'invention; et sur la figure 24 qui représente un spectre de vibration de torsion basé sur la réflectance dynamique multipoint obtenu à partir d'une sonde selon un mode de réalisation de l'invention. La grande largeur de bande pouvant être obtenue par les techniques de détection de vibration dans le domaine fréquentiel décrites dans la présente permet d'identifier simultanément les modes de vibration précédents par des spectres aussi bien de puissance que de phase.
Les principes de détection de vibration décrits dans la présente peuvent être mis en oeuvre pour permettre une surveillance simultanée de phénomènes vibratoires de flexion et de torsion aussi bien constants que transitoires, d'une fréquence naturelle fondamentale de rotation de l'arbre jusqu'à des composantes harmoniques d'ordres plus élevés, comme indiqué plus haut. Plus spécifiquement, les modes de torsion non linéaires transitoires qui correspondent à des cycles de déformation à relativement grande amplitude peuvent être identifiés par des oscillations haute fréquence instantanées et à courte période qui peuvent être utilisées pour une identification d'événement de défaillance de ligne de transmission transitoire. Cette technique de surveillance automatique peut être employée, par exemple, dans différents étages de pression d'une turbine à vapeur, incluant sans restriction de multiples rotors ou arbres au niveau d'installations de production d'électricité où une défaillance d'arbre peut être induite par une vibration de flexion et de torsion transitoire et non linéaire. Les principes de détection de multiples paramètres de vibration de torsion par multiplexage de faisceaux de fibres décrits dans la présente, tout en étant utiles pour un diagnostic de défaillance de rotor ou d'arbre, sont également utiles pour une mesure simultanée d'une déformation mécanique d'arbre induite par la température et d'une variation transitoire de la vitesse de rotation d'arbre, ainsi que de caractéristiques de vibration non linéaire transitoire. Des avantages offerts par un système de détection de vibration ayant les caractéristiques décrites dans la présente comprennent sans restriction les suivants: 1) le système de surveillance par fibre optique d'état de vibration d'arbre de système de turbomachine est insensible aux perturbations électromagnétiques ; 2) le système peut être déployé dans un environnement difficile affecté par la température, la pression, l'humidité, etc.; 3) le système détecte simultanément de multiples modes de vibration (transversale, de flexion et de torsion) par détection de réflectance dynamique soit d'une surface d'arbre à codage optique soit d'une surface d'arbre nue ; 4) le système n'a pas de parties mobiles et n'a aucune exigence d'alignement optique ; 5) le système détecte des signaux de réflexion dynamique d'une surface d'arbre par un ou plusieurs diviseurs optiques de faisceau de fibres tels que des diviseurs 1X2, 1X4 et 1X8, ce qui permet une détection de phénomènes vibratoires simultanément en de multiples points à l'aide d'un seul instrument ; 6) le système de détection par fibre optique emploie une sonde de détection de réflectance construite avec une bague en métal haute température, à faible dilatation thermique et antioxydant (par exemple Kovar, Invar, Inconel ou Incoloy, etc.); un adhésif métallique haute température en tant que matériau de liaison; une seule fibre pour la distribution du faisceau de lumière (par exemple laser) incidente, et de multiples (par exemple 6) fibres avec une configuration hexagonale pour la réception du signal de réflexion dynamique selon un mode de réalisation ; 7) le système est configuré de telle manière que le signal de réflexion reçu peut être délivré à un réseau de photodétecteurs par une sonde de réflexion optique (par exemple un combinateur optique l x2, 1X4 ou 1 x8) qui est conditionnée dans un câble gainé d'acier inoxydable BX à verrouillage selon un mode de réalisation ; 8) utilisation d'une sonde de détection qui est insensible à la température puisque le signal de réflexion transmis par la fibre optique est limité à un intervalle spectral étroit avec une longueur d'onde de coupure haute inférieure à 2 m, la rendant insensible à un rayonnement à grande longueur d'onde; et les fluctuations de réflectance induites par rayonnement thermique sont également négligeables quand T < 649°C (1200°F) ; 9) utilisation d'une surface de sonde de détection revêtue d'une couche mince de céramique à base d'alumine haute température hydrophobe selon un mode de réalisation, rendant l'amplitude du signal de réflexion dynamique insensible à l'humidité ; 10) utilisation de sondes de détection à fibre optique déployées sous la forme d'un réseau, permettant de scinder une source de lumière unique en de nombreuses sondes de détection individuelles donnant une résolution spatiale de mesure plus élevée qui est idéale pour des applications de détection multipoint telles qu'une surveillance d'état de vibration d'un arbre de turbine à vapeur, d'étages haute pression jusqu'à des étages basse pression ; 11) utilisation d'une source de lumière à longueurs d'onde multiples pour permettre une détection de réflectance dynamique insensible à une absorption optique par de l'humidité, des hydrocarbures liquides et de la saleté par différenciation de mesures de réflectance à différentes longueurs d'onde simultanément ; 12) utilisation d'un traitement de signaux de détection qui comprend une technologie de filtrage pouvant récupérer une enveloppe à bruit supprimé et une porteuse pour obtenir une fonction d'intercorrélation qui permet une analyse et une surveillance en ligne d'état de vibration en temps réel aussi bien statique que dynamique ; 13) utilisation d'un procédé de diagnostic et de pronostic prédictif basé sur une analyse de vibration transitoire non linéaire ; et 14) utilisation d'un procédé de surveillance pratique pour une identification d'alignement de palier, de rotor et d'arbre d'une turbomachine par observation simultanée d'amplitudes et de modes de vibration non linéaire.
LISTE DE COMPOSANTS 10 Système de détection de couple par fibre optique 12 Source de lumière multicolore 14 Zone de surface d'arbre 16 Zone de surface d'arbre 18 Zone de surface d'arbre 20 Zone de surface d'arbre 22 Diviseur à faisceau de fibres ramifié 24 Surface d'arbre de turbomachine 26 Sonde de réflexion 28 Sonde de réflexion 30 Sonde de réflexion 32 Sonde de réflexion 34 Réseau de détecteurs photosensibles 36 Unité de traitement de signaux 38 Mécanisme de codage de surface d'arbre 40 Déplacement angulaire 42 Faisceau de fibres ramifié 44 Faisceau de fibres ramifié 48 Signal temporel de base 50 Signal retardé 64 Unité d'intercorrélation 66 Unité de filtre passe-bas 68 Unité TFR 70 Système de codage et de traitement de signaux 72 Unité d'estimation de déphasage affiné 74 Unité d'estimation de déphasage à haute précision 76 Unité d'estimation grossière de déphasage 80 Ensemble de signaux de base 82 Signaux à retard induit par couple 90 Diviseur à faisceau de fibres ramifié 92 Fibres optiques 94 Sondes émettrices 100 Sonde de réflexion 102 Fibre centrale 104 Fibres coaxiales 106 Distance de travail 108 Point de fonctionnement à la distance de travail 110 Point de fonctionnement à la distance de travail 112 Rainures en V 114 Lignes droites 120 Motif de codage de surface à rainure en V 122 Motif de codage à lignes périodiques multiples 124 Motif de codage à ligne droite unique 130 Signal de détection de couple provenant d'une surface d'arbre codée par lignes droites 132 Signal de détection de couple provenant d'une surface d'arbre codée par rainures en V 134 Signal de détection de couple dynamique basé sur un retard 140 Signal de réflexion provenant d'une surface d'arbre codée par lignes droites périodiques ou à fréquence modulée 142 Surface d'arbre codée par lignes périodiques 200 Instrumentation de détection par fibre optique de couple et de vibration d'un système de turbomachine 202 Turbine à vapeur 204 Alternateur 206 Engrenage de transmission 208 Turbine à gaz 210 Système de surveillance de vibration par fibre optique 212 Turbine à vapeur 214 Faisceaux de fibres ramifiés 216 Surface d'arbre à codage optique 218 Réseau de photodétecteurs 220 Signaux de lumière laser 224 Multiples signaux de réflexion
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Système (10) pour détecter des couples statiques et dynamiques, des modes de vibration et un état de fonctionnement associé d'un système de turbomachine, le système de détection comprenant: une source de lumière (12) configurée pour émettre de la lumière vers une surface d'au moins un arbre (24) du système de turbomachine par l'intermédiaire d'une pluralité de faisceaux de fibres optiques (22) agencés en une pluralité d'emplacements à proximité de la surface de l'au moins un arbre (24), la pluralité d'emplacements étant agencés ensemble dans une direction sensiblement axiale entre les extrémités de l'au moins un arbre (24); un réseau de photodétecteurs (34), de détecteurs CCD ou CMOS, configuré pour détecter la lumière dynamique réfléchie par l'au moins une surface d'arbre (24) du système de turbomachine en réponse à la lumière émise durant une rotation de l'au moins un arbre (24) du système de turbomachine et générer des signaux de lumière réfléchie dynamique à partir de celle-ci; et un mécanisme de détection (36) configuré pour déterminer un couple ou une vibration sur l'au moins un arbre du système de turbomachine en réponse aux signatures des signaux de lumière réfléchie dynamique ou à une reconnaissance de formes sur la base de traitements de signaux dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel.
- 2. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel l'au moins un arbre (24) du système de turbomachine est à codage optique.
- 3. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel la vibration est une vibration de torsion.
- 4. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel l'arbre à codage optique (24) comprend un mécanisme de codage optique attaché à ou incorporé dans la surface de l'arbre (24) par micro-usinage laser direct, marquage laser ou soudage.
- 5. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel l'arbre à codage optique (24) comprend un mécanisme de codage sélectionné parmi une rainure en V agencée à travers la surface de l'arbre à des emplacements désirés, un motif périodique ou à fréquence modulée apériodique agencé sur la surface de l'arbre à des emplacements désirés, et un motif à ligne droite unique agencé sur la surface de l'arbre à des emplacements désirés, entourant la circonférence de l'arbre à certains angles.
- 6. Système (10) selon la revendication 5, dans lequel les marques de codage optique sont distribuées symétriquement autour d'une circonférence de l'arbre.
- 7. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel la vibration est une vibration de flexion.
- 8. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel chaque ligne de transmission en fibre optique comprend un faisceau de fibres ramifié sélectionné parmi des fibres en plastique, des fibres en silice et des fibres en saphir.
- 9. Système (10) selon la revendication 1, comprenant en outre une sonde de réflexion 1X2 ou lxN (26), (28), (30), (32) correspondant à chaque fibre optique, chaque sonde de réflexion étant configurée pour émettre la lumière reçue de la source de lumière (12) par l'intermédiaire de son faisceau de fibres optiques correspondant vers la surface de l'au moins un arbre (24) par une branche d'émission de la sonde de réflexion et en outre configurée pour recevoir la lumière réfléchie par la surface de l'au moins un arbre (24) par une branche de mesure de la sonde de réflexion (26), (28), (30), (32).
- 10. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le mécanisme de détection comprend un capteur de couple de norme "gold standard" acceptée par l'industrie pour une utilisation avec l'au moins un arbre respectif du système de turbomachine de sorte qu'une valeur d'angle de torsion d'arbre mesurée correspond à une valeur absolue de couple récupérée à partir d'une table de référence ou de formules, ou à partir d'une fonction de transfert d'étalonnage.
- 11. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le mécanisme de détection comprend un processeur de signaux (36) configuré pour déterminer quand les signatures de réflectance de la lumière reçue à une longueur d'onde d'intérêt désirée dépassent un seuil désiré, déterminer des retards différentiels associés aux signatures des signaux réfléchis, déterminer une valeur d'angle de torsion d'arbre sur la base des retards différentiels des signaux réfléchis et déterminer un couple d'arbre sur la base de l'angle de torsion d'arbre.
- 12. Système (10) selon la revendication 11, dans lequel le processeur de signaux (36) à reconnaissance de formes de signature de réflectance est en outre configuré pour supprimer par étalonnage toute différence entre des signaux réfléchis désirés afin de mitiger des différences mesurables indésirables entre les signaux réfléchis désirés.
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