FR3004256A1

FR3004256A1 - Banc d'essais de palier

Info

Publication number: FR3004256A1
Application number: FR1353186A
Authority: FR
Inventors: Philippe Nivet; Fabien Tessier; Laurent Fabbri; Valerie Begin
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2014-10-10
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: US9151684B2; US20140298917A1; FR3004256B1

Abstract

L'invention concerne principalement un banc d'essais (10) d'un palier radial (14) apte à être interposé entre deux organes (12, 16) relativement mobiles en rotation et caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure d'efforts radiaux (18) exercés sur ledit palier (14), un dispositif de mesure d'accélérations radiales (20) subies par ledit palier (14) et une unité électronique de calcul (26) en communication avec le dispositif de mesure d'efforts radiaux (18) ainsi qu'avec le dispositif de mesure d'accélérations radiales (20). L'invention concerne aussi un procédé d'établissement d'une loi de comportement pour ce palier radial (14).

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un banc d'essais d'un palier radial. L'invention vise aussi un procédé d'établissement d'une loi de comportement d'un palier radial. L'homme du métier rencontre des difficultés dans la mesure des efforts auxquels les paliers radiaux sont soumis, surtout lorsque les paliers radiaux sont montés de manière très rigide. La mesure des efforts au sein d'un palier radial permet de surveiller l'évolution de celui-ci, son usure. Lorsqu'il est monté sans grande rigidité, l'homme du métier dispose de solutions connues, comme par exemple l'utilisation de jauges de contraintes.

Par contre, l'homme du métier ne dispose pas de solutions pour évaluer les efforts au sein d'un palier radial monté sans jeu, avec une grande rigidité. En effet, les jauges de contraintes ne fonctionnent correctement que lorsque les déformations qu'elles subissent sont relativement élevées, elles ne sont pas adaptées pour la mesure d'efforts sur des paliers qui sont destinés à être montés relativement rigides. Il est aussi connu d'utiliser des capteurs de température montés sur les cages extérieurs des roulements qui composent un palier. Ces capteurs de température permettent de calculer la résultante des efforts sur le palier en fonction de la température relative d'échauffement mesurée. En effet, le travail mécanique effectué par les efforts qui s'exercent sur le palier est dissipé hors du palier sous forme d'énergie calorifique. Il est alors théoriquement possible, à partir de la mesure de l'énergie calorifique dissipée, de calculer la résultante des efforts qui s'exercent à l'intérieur du palier. Cependant, ce calcul ne permet pas de mesure précise des efforts en temps réel, ni de mesure directe des efforts sur le palier. Objet et résumé de l'invention L'invention concerne donc un banc d'essais d'un palier radial apte à être interposé entre deux organes relativement mobiles en rotation et facilitant la mesure des efforts en temps réel sur des paliers montés de manière relativement rigide dans un plan radial. Dans au moins un mode de réalisation, ceci peut être réalisé grâce au fait que le banc d'essais comprend un dispositif de mesure d'efforts radiaux exercés sur ledit palier, un dispositif de mesure d'accélérations radiales subies par ledit palier et une unité électronique de calcul en communication avec le dispositif de mesure d'efforts radiaux ainsi qu'avec le dispositif de mesure d'accélérations radiales. Il est ainsi envisageable de calculer expérimentalement une fonction de transfert entre les efforts radiaux et les accélérations radiales mesurées. Grâce à cette fonction de transfert, il peut être envisageable de s'affranchir ultérieurement du montage du dispositif de mesure d'efforts radiaux sur le palier et donc, ainsi, de faciliter la mesure des efforts en temps réel sur ce palier.

Avantageusement, le banc d'essais est apte à recevoir le palier dans un milieu cryogénique. L'homme du métier peut rencontrer des difficultés à mettre en place la mesure d'efforts en milieu cryogénique car les méthodes qu'il met habituellement en place ne donnent pas de résultats satisfaisants. En effet, l'utilisation de jauges de contraintes classiques en milieu cryogénique n'est pas envisageable. La température très basse dans ce type de milieu - de l'ordre de 20 à 30K - interfère sur les déformations que les jauges classiques peuvent subir. D'autre part, l'utilisation d'un capteur de température à l'extérieur d'un palier cryogénique n'est pas adaptée, l'échauffement global du palier étant difficilement quantifiable au vu des températures très basses qui règnent à l'intérieur d'un tel palier. En rendant ce banc d'essais apte à recevoir le palier dans un milieu cryogénique, on peut envisager d'y mettre en oeuvre des essais de paliers destinés à être utilisés dans un milieu cryogénique, et notamment de paliers destinés à des turbopompes d'ergols cryogéniques pour des moteurs-fusées. Avantageusement, le dispositif de mesure d'efforts comprend au moins un capteur piézoélectrique apte à générer des impulsions électriques en réponse à des efforts en compression. En effet, les capteurs piézoélectriques peuvent avoir une structure mécanique très simple avec un nombre minimal de pièces mobiles et leur fonctionnement ne dépend que de propriétés piézoélectriques du matériau utilisé dans ce capteur. Il s'avère que certains matériaux piézoélectriques comme le niobate de lithium (LiNbO3) sont bien compatibles avec l'opération en milieu cryogénique, par exemple à une température comprise entre 20 et 30K. Avantageusement, l'au moins un capteur piézoélectrique du dispositif de mesure d'efforts est précontraint en compression ; il peut être soumis en particulier à une précontrainte de l'ordre de 25kN. Cette précontrainte permet d'assurer une plus grande rigidité au palier. On entend par précontrainte dans le présent contexte, une contrainte statique initiale de ces capteurs piézoélectriques quand le palier est au repos dans le banc d'essais. Dans ce cas, une précontrainte suffisante en compression permet de s'assurer de ce que les capteurs piézoélectriques restent contraints en compression pendant la durée des essais, et malgré les efforts dynamiques radiaux, évitant ainsi un jeu radial, assurant la rigidité de l'assemblage et aussi la sensibilité de capteurs piézoélectriques pendant l'essai.

Avantageusement, le dispositif de mesure d'accélérations comprend au moins un capteur piézoélectrique, comprenant une masse inertielle et un élément en matériau piézoélectrique, disposé entre la masse inertielle et le palier de manière à travailler en cisaillement et à générer des impulsions électriques en réponse à des sollicitations de la masse inertielle. L'utilisation de capteurs piézoélectriques pour la mesure des accélérations permet d'avoir une sensibilité beaucoup plus grande auxdites accélérations sans compromettre la rigidité de l'assemblage. D'autre part, le choix du mode cisaillement permet de limiter l'effet pyroéléctrique du premier ordre pouvant fausser les mesures d'accélération dans un milieu cryogénique. Avantageusement ledit palier est un palier de pompe d'une turbopompe. Les paliers de pompe d'une turbopompe sont montés rigides et évoluent dans des conditions cryogéniques.

Avantageusement, l'invention concerne aussi un procédé d'établissement d'une loi de comportement d'un palier radial apte à être interposé entre deux organes relativement mobiles en rotation comportant les étapes suivantes : - mesure d'efforts radiaux auxquels est soumis ledit palier avec un dispositif de mesure d'efforts radiaux exercés sur ledit palier ; - mesure des accélérations subies par ledit palier avec un dispositif de mesure d'accélérations radiales subies par ledit palier ; - communication de ces mesures à une unité électronique de calcul située à l'extérieur du palier.

Avantageusement, ce procédé comporte, avant lesdites étapes de mesures d'efforts et d'accélérations, une étape qui consiste à étalonner le dispositif de mesure d'efforts radiaux exercés sur le palier et le dispositif de mesure d'accélérations radiales subies par le palier. L'objectif est de monter des dispositifs de mesure directement opérationnels sur le palier. L'étalonnage des dispositifs de mesures permet de connaître leur réponse dans des conditions cryogéniques, sur des paliers montés rigides. Avantageusement ce procédé comporte une étape supplémentaire qui consiste à établir pour ledit palier, une fonction de transfert entre les efforts et les accélérations. Cette fonction de transfert pourra ensuite être inversée pour calculer les efforts seulement sur la base de la mesure des accélérations. On entend par fonction de transfert dans le présent contexte, une matrice de transfert entre les efforts et les accélérations subies par le palier, palier qui est alors mathématiquement considéré comme un système linéaire. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence au dessin annexé. La figure 1 est une vue en coupe du banc d'essais selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est la vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue de détail de la figure 2. La figure 4 est une vue schématique d'un capteur qui peut être utilisé dans le dispositif de mesure d'efforts d'un mode de réalisation de 30 l'invention. La figure 5 est un diagramme indiquant un mode opératoire permettant le calcul d'une fonction de transfert selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 6 est un diagramme indiquant un mode opératoire permettant le 35 calcul des efforts auxquels est soumis le palier.

Description détaillée de l'invention Un banc d'essais 10 suivant un mode de réalisation de l'invention est illustré sur les figures 1 à 3. Le banc d'essais 10 est destiné à effectuer des essais de fonctionnement sur un palier radial 14 apte à être interposé entre deux organes relativement mobiles en rotation. Selon le mode de réalisation décrit, le palier radial 14 est interposé entre un stator 12 fixe par rapport à son bâti et un rotor 16 mobile en rotation. Le banc d'essais 10 dispose d'au moins un dispositif de mesure d'efforts radiaux 18, d'au moins un dispositif de mesure d'accélérations radiales 20 et d'une unité électronique de calcul 26. Le banc d'essais 10 est apte à recevoir le palier 14 dans un milieu cryogénique. Le banc d'essais 10 peut être destiné à des paliers 14 de turbopompes à ergols liquides. Dans le mode de réalisation décrit ici, le milieu cryogénique est créé par l'hydrogène liquide qui est un ergol cryogénique souvent utilisé dans le domaine de la propulsion spatiale. Il est à noter que l'hydrogène doit être maintenu à une température de 30K (-253°C) pour rester liquide. La communication du dispositif de mesure d'efforts radiaux 18 et du dispositif de mesure d'accélérations radiales 20 avec l'unité électronique de calcul 26 se fait par une liaison filaire 28. Toutefois, dans un mode de réalisation alternatif, elle peut aussi se faire sans fil. Une enceinte d'isolation thermique 29 assure l'étanchéité statique et dynamique entre l'intérieur (environnement cryogénique) et l'extérieur du palier (non cryogénique). Afin de maintenir cette étanchéité de l'enceinte 29 lorsque la communication avec l'unité électronique de calcul 26 se fait par une liaison filaire 28, cette enceinte 29 peut comporter des connecteurs étanches (non illustrés) reliant des câbles intérieurs à des câbles extérieurs à l'enceinte. Ces connecteurs étanches, qui peuvent notamment être des connecteurs miniature du type commercialisé par la société Microdot® peuvent être intégrés dans des brides d'interface étanches (non illustrées) fixées sur l'enceinte 29. Le milieu cryogénique composé d'hydrogène liquide est électriquement isolant. Ceci permet de s'affranchir d'éventuelles pertes d'information dues à des champs électriques parasites lors de la communication des dispositifs de mesure vers l'extérieur du palier 14. En effet, les impulsions électriques que le dispositif de mesure d'efforts radiaux transmet à l'extérieur du palier sont très faibles, de l'ordre du pico-Coulomb. Les câbles intérieurs à l'enceinte 29 des liaisons filaires 28 sont de préférence soudés aux dispositifs de mesure d'efforts 18 et d'accélérations 20 pour éviter toutes détériorations dans la transmission d'informations.

Le dispositif de mesure d'efforts radiaux 18 comprend au moins un capteur piézoélectrique apte à générer des impulsions électriques en réponse à des efforts en compression. De préférence, le dispositif de mesure d'efforts radiaux 18 comprend quatre capteurs d'efforts qui sont placés en vis-à-vis, par paires, chaque paire sur le même axe, X ou Y, de part et d'autre du palier 14 comme illustré sur les figures 2 et 3. Les deux axes X, Y sur lesquels sont placés les deux paires de capteurs d'efforts sont fixes par rapport au bâti et perpendiculaires entre eux. Il est envisageable d'adopter une autre répartition pour ces capteurs d'efforts ; par exemple, ils pourraient être en nombre différent (plus ou moins nombreux) et ne pas être montés par paires (il est possible de n'en prévoir qu'un nombre impair). De préférence, chaque capteur d'efforts radiaux comprend une rondelle 32 en matériau piézoélectrique et deux rondelles 30 en matériau non piézoélectrique. La rondelle piézoélectrique 32 est précontrainte en compression entre les deux rondelles non piézoélectriques 30. Le capteur d'efforts radiaux répond de manière linéaire aux efforts de compression auxquels il est soumis. Il permet ainsi la mesure de très petites amplitudes et est donc tout à fait indiqué pour mesurer des efforts au sein de paliers montés rigides. Par exemple, le capteur d'efforts radiaux peut être calibré pour mesurer des efforts de l'ordre de 90kN. Les rondelles d'acier 30 peuvent être un alliage de fer avec d'autres composés métalliques. Dans un mode de réalisation, le diamètre DR de la rondelle piézoélectrique 32 peut être de l'ordre de 17mm et la hauteur HR, de l'ordre de 12mm. Le capteur d'efforts dans son ensemble peut présenter un diamètre extérieur Dc de 34,5mm. Tout autre capteur apte à fonctionner en milieu cryogénique peut toutefois être utilisé alternativement ou en complément à celui illustré. Ces capteurs d'efforts sont précontraints en compression lors de leur montage. De préférence, chacun subit une précontrainte de l'ordre de 25 35 kN. Le dispositif de mesure d'accélérations 20 comprend au moins un capteur piézoélectrique. De préférence, le dispositif de mesure d'accélérations comprend quatre capteurs d'accélérations qui peuvent être placés en vis- à-vis, par paires, chaque paire sur le même axe, de part et d'autre du palier 14 comme illustré sur les figures 2 et 3. Les deux axes X', Y' sur lesquels sont placés les deux paires de capteurs d'accélérations sont fixes par rapport au bâti, perpendiculaires entre eux et décalés d'un angle B de 45° par rapport aux axes X, Y. Il est envisageable d'adopter une autre répartition pour ces capteurs d'accélérations ; par exemple, ils pourraient être en nombre différent (plus ou moins nombreux) et ne pas être montés par paires (il est possible de n'en prévoir qu'un nombre impair). Leur angle par rapport aux capteurs d'efforts peut aussi être différent. Ces capteurs piézoélectriques d'accélérations comprennent une masse inertielle apte à se déplacer suivant une direction déterminée par rapport à un point de fixation du capteur d'accélérations au palier, un élément en matériau piézoélectrique disposé entre le point de fixation et la masse inertielle de manière à générer des impulsions électriques en réponse à des sollicitations en cisaillement générées par le déplacement relatif de la masse inertielle suivant ladite direction déterminée et un dispositif électronique d'amplification pour amplifier les impulsions électriques générées par l'élément piézoélectrique afin de permettre leur transmission, avec une amplitude suffisante, vers l'unité électronique de calcul 26 situé à l'extérieur du palier 14. Le matériau piézoélectrique peut être par exemple du niobate de lithium, au vu de ses qualités piézoélectriques à des températures cryogéniques. Tout autre capteur d'accélération apte à fonctionner en milieu cryogénique avec une sensibilité comparable peut toutefois être utilisé alternativement pour cette application. Le palier 14 est de préférence un palier de pompe d'une turbopompe destiné à pomper un ergol cryogénique pour l'injecter dans la chambre de combustion d'un moteur-fusée.

La figure 5 schématise le procédé d'établissement d'une loi de comportement d'un palier radial tel que décrit ci-dessus. Les deux premières étapes sont réalisées simultanément. Dans une de ces deux étapes sont mesurés les efforts radiaux auxquels est soumis ledit palier tandis que dans l'autre sont mesurées les accélérations subies par ce même palier. Les efforts mesurés peuvent être de l'ordre de 75N, par exemple. Leur mesure est réalisée à l'aide des capteurs piézoélectriques du dispositif de mesure d'efforts radiaux 18, qui émettent, en réponse à ces efforts, des signaux électriques à travers les liaisons filaires 28 vers l'unité électronique de calcul 26. La mesure des accélérations est réalisée à l'aide des capteurs piézoélectriques du dispositif de mesure d'accélérations 20, qui sont sensibles aux déplacements des masses inertielles qu'ils contiennent par rapport au palier 14 sur lequel chaque capteur d'accélération est fixé, et qui émettent, en réponse à ces accélérations, des signaux électriques à travers les liaisons filaires 28. L'unité électronique de calcul 26 établit alors la fonction de transfert des efforts vers les accélérations qui correspond au palier 14 situé sur le banc d'essais 10. Cela permet, ensuite, en inversant cette fonction de transfert, de s'affranchir du montage des capteurs d'efforts 18 autour du palier 14. Les efforts radiaux exercés sur le palier 14 pourront alors être calculés à partir des seules mesures d'accélérations fournies par les capteurs du dispositif de mesure d'accélérations 20 (voir Figure 6).

Il est à noter que le montage des capteurs du dispositif de mesure d'accélérations 20 est plus simple que celui des capteurs du dispositif de mesure d'efforts 18. Un étalonnage des capteurs du dispositif de mesure d'efforts 18 et des capteurs du dispositif de mesure d'accélérations 20 peut être effectué avant leur montage autour du palier 14. Cet étalonnage se fait en cryogénie et permet de prévenir la dérive au froid des capteurs d'efforts et d'accélérations.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et au mode de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS1. Banc d'essais (10) d'un palier radial (14) apte à être interposé entre deux organes (12, 16) relativement mobiles en rotation et caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure d'efforts radiaux (18) exercés sur ledit palier (14), un dispositif de mesure d'accélérations radiales (20) subies par ledit palier (14) et une unité électronique de calcul (26) en communication avec le dispositif de mesure d'efforts radiaux (18) ainsi qu'avec le dispositif de mesure d'accélérations radiales (20).
2. Banc d'essais (10) selon la revendication 1, apte à recevoir le palier (14) dans un milieu cryogénique.
3. Banc d'essais (10) selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure d'efforts (18) comprend au moins un capteur piézoélectrique apte à générer des impulsions électriques en réponse à des efforts en compression.
4. Banc d'essais (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'au moins un capteur piézoélectrique du dispositif de mesure d'efforts (18) est précontraint en compression.
5. Banc d'essais (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'au moins un capteur piézoélectrique du dispositif de mesure d'efforts (18) est soumis à une précontrainte en compression de l'ordre de 25kN.
6. Banc d'essais (10) selon l'une quelconque les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure d'accélérations (20) comprend au moins un capteur piézoélectrique, comprenant une masse inertielle et un élément en matériau piézoélectrique, disposé entre la masse inertielle et le palier (14) de manière à travailler en cisaillement et à générer des impulsions électriques en réponse à des sollicitations de la masse inertielle.
7. Banc d'essais (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit palier (14) est un palier de pompe d'une turbopompe.
8. Procédé d'établissement d'une loi de comportement d'un palier radial (14) apte à être interposé entre deux organes (12, 16) relativement mobiles en rotation caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - mesure d'efforts radiaux auxquels est soumis ledit palier (14) avec un dispositif de mesure d'efforts radiaux (18) exercés sur ledit palier ; - mesure des accélérations subies par ledit palier (14) avec un dispositif de mesure d'accélérations radiales (20) subies par ledit palier ; - communication de ces mesures à une unité électronique (26) de calcul située à l'extérieur du palier (14).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte, avant lesdites étapes de mesures d'efforts et d'accélérations, une étape qui consiste à étalonner le dispositif de mesure d'efforts radiaux (18) exercés sur le palier et le dispositif de mesure d'accélérations radiales (20) subies par le palier (14).
10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire qui consiste à établir pour ledit palier (14), une fonction de transfert entre les efforts et les accélérations.