FR3014195A1 - Mesure de couple sans contact pour arbre de turbomachine - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de mesure de couple dans un arbre d'entrainement (10A, 10B) de turbomachine apte à transmettre un couple de torsion autour d'un axe longitudinal (X), comportant des premier et second cylindres de mesure (12, 14) comportant chacun une première extrémité fixée à l'arbre d'entrainement et s'étendant axialement autour de lui jusqu'à une seconde extrémité libre, un disque central (20) monté coulissant sur l'arbre d'entrainement entre les secondes extrémités libres se faisant faces, une pluralité de pièces déformables (22A, 22B, 24A, 24B) régulièrement réparties autour du disque central, chaque pièce déformable étant fixée par une première extrémité au disque central et par une seconde extrémité à l'une ou l'autre de ces extrémités libres, et au moins un capteur de déplacement (28) solidaire d'une partie fixe (30) de la turbomachine et relié à une unité de traitement (32) pour déterminer le couple de torsion exercé sur l'arbre d'entrainement à partir d'une mesure du déplacement axial dudit disque central.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la mesure de 5 couple d'un arbre tournant de turbomachine. Elle vise plus précisément un dispositif de mesure du couple de torsion transitant dans un arbre d'entrainement du rotor de turbine d'une telle turbomachine. De façon connue, la mesure du couple transmis à l'hélice est un paramètre 10 très important pour la régulation du fonctionnement des turbopropulseurs ou des turbines pour hélicoptère. La précision de la régulation et donc les performances du moteur dépendent directement de la précision de cette mesure de couple. 15 Sur les moteurs actuels, la mesure de couple est faite en général à l'aide de roues phoniques. La mesure détecte le déphasage entre le passage des dents d'un arbre non soumis au couple et de celle de l'arbre moteur qui transmet le couple. Cette mesure basée sur la détection du passage des dents est donc un signal variable qui comprend des harmoniques liées au 20 passage des arêtes des dentures. Le signal perceptible est donc normalement bruité et la présence d'un rapport signal/bruit important, en affectant la précision de la mesure, limite les performances de la régulation. 25 Or, pour une turbomachine, la mesure de couple doit être peu sensible aux sollicitations environnantes telles que les vibrations, la température, la vitesse de rotation et sa raideur doit pouvoir être adaptée pour éviter les modes de torsion de la ligne d'arbre considérée. 30 Les contraintes d'environnement imposent en outre que les détecteurs soient démontables sans intervention sur la ligne d'arbre et pour limiter la maintenance, aucun contact électrique ni aucune électronique ne doit tourner.

Il a été proposé avec la demande FR2909760, un dispositif de mesure de couple reposant sur le principe de la transformation mécanique de la déformation angulaire d'un tronçon de l'arbre moteur en un déplacement axial d'un disque mesuré par un ou plusieurs capteurs de mesure de distance. Ce dispositif permet de s'affranchir de la génération d'harmoniques des dispositifs de mesure de couple à roues phoniques. Toutefois, il présente encore certains inconvénients, notamment en présence d'un fort gradient thermique (par exemple une différence de température de l'ordre de 120°C aux deux extrémités de l'arbre moteur) car, en ce cas, il se produit une dérive du module d'élasticité (de l'ordre de 6°C dans l'exemple précité) qui affecte la précision de mesure en influençant la torsion de l'arbre. De même, lorsque l'arbre moteur est plus chaud que l'arbre de référence portant le disque, la dilatation différentielle en résultant entraine une rotation du disque et donc un déplacement axial faussant la mesure. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier les inconvénients précités en proposant un dispositif de mesure de couple de structure compacte et assurant notamment une auto compensation en fonction de la température (c'est-à-dire un équilibrage des effets des importants gradients thermiques sur l'arbre de la turbomachine qui transmet le couple). Un but de l'invention est aussi de permettre une mesure même pour un couple élevé entrainant un grand déplacement axial. Ces buts sont atteints par un dispositif de mesure de couple dans un arbre d'entrainement de turbomachine apte à transmettre un couple de torsion autour d'un axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il comporte : - un premier cylindre de mesure comportant une première extrémité fixée au dit arbre d'entrainement et s'étendant axialement autour dudit arbre d'entrainement jusqu'à une seconde extrémité libre, - un second cylindre de mesure comportant une première extrémité fixée 3 3014195 au dit arbre d'entrainement et s'étendant axialement autour dudit arbre d'entrainement jusqu'à une seconde extrémité libre faisant face à ladite seconde extrémité libre dudit premier cylindre de mesure, - un disque central monté coulissant sur ledit arbre d'entrainement entre 5 lesdites secondes extrémités libres, - une pluralité de pièces déformables régulièrement réparties autour dudit disque central, chaque pièce déformable étant fixée par une première extrémité au dit disque central et par une seconde extrémité à l'une ou l'autre desdites extrémités libres, les premières extrémités desdites pièces 10 déformables se déplaçant axialement en fonction de la différence de déformation entre lesdits premier et second cylindres de mesure, et - au moins un capteur de déplacement solidaire d'une partie fixe de ladite turbomachine, faisant face à l'une au moins des faces dudit disque central et relié à une unité de traitement pour déterminer le couple de torsion 15 exercé sur ledit arbre d'entrainement à partir d'une mesure du déplacement axial dudit disque central. Du fait de la symétrie du dispositif, la dérive du module d'élasticité est compensée et la dilation différentielle qui entraine la rotation du disque 20 central n'emporte aucun déplacement axial et donc aucune perturbation de la mesure. Avantageusement, lesdites pièces déformables présentent sensiblement une forme de S aplati pour éviter des pics de contrainte et obtenir une 25 déformation maximum. De préférence, ledit au moins un capteur de déplacement est choisi parmi l'un des capteurs suivants : capteur optique, capteur à courant de Foucault, capteur capacitif, capteur à effet Hall, capteur à variation de 30 mutuelle inductance, capteur radar. Avantageusement, ledit au moins un capteur de déplacement est monté sur une pièce reliée au dit arbre d'entrainement par un roulement et bloquée en rotation dans ladite partie fixe de la turbomachine.

L'invention concerne aussi une turbomachine comportant un dispositif de mesure de couple tel que précité.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent un simple exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de mesure de couple selon l'invention, les capteurs de déplacement ayant été otés ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de mesure de couple de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en bout du dispositif de mesure de couple de la figure 1. Description détaillée de l'invention La figure 1 représente en perspective une partie d'un arbre d'entrainement de rotor de turbine d'une turbomachine sur laquelle est monté un dispositif de mesure de couple selon l'invention. L'arbre d'entrainement 10 qui transmet le couple présente la forme d'un fût légèrement déformable comprenant, sur le tronçon illustré, une extrémité amont 10A qui est entourée par un premier cylindre de mesure 12 de même axe que cet arbre d'entrainement et une extrémité aval 10B qui est entourée par un second cylindre de mesure 14 également coaxial à cet arbre d'entrainement. Les premier et second cylindres de mesure fixés rigidement (via les liaisons boulonnées 16, 18) par une première extrémité à l'arbre d'entrainement 10 s'étendent axialement vers une seconde extrémité libre (non solidarisée à l'arbre d'entraînement). Les extrémités libres des premier et second cylindres de mesure qui sont disposées en regard l'une de l'autre sont séparées par un espace libre dans lequel est 3014 195 5 disposé un disque central 20 apte à coulisser sur l'arbre d'entrainement et dont les deux faces s'étendent radialement vers l'extérieur et auquel est fixée une première extrémité de plusieurs pièces déformables 22A, 22B, 24A, 24B, 26A, 26B, à faible raideur, régulièrement réparties autour de ce 5 disque central et dont la seconde extrémité est fixée à l'extrémité libre de l'un ou l'autre des deux cylindres de mesure. Plus particulièrement, comme le montrent les figures 2 et 3, ces pièces déformables, avantageusement au nombre de six, sont conçues de façon 10 à éviter des pics de contrainte et une raideur excessive pour obtenir une déformation maximum (typiquement une torsion égale à 2,5 degrés en charge maximale). Elles présentent sensiblement une forme de S aplati (une poutre avec une pente et des rayons de raccordement) dont une extrémité est solidarisée au disque central 20 et dont l'autre extrémité, 15 pour trois d'entre elles, est fixée au premier cylindre de mesure 12 et pour les trois autres, au second cylindre de mesure 14. Cette forme en S aplati est orientée en fonction du sens du déplacement préféré (le sens de la pente détermine le sens du déplacement du disque en fonction du sens de torsion de l'arbre) pour que les pièces déformables se déforment tels des 20 poutres au contraire de l'arbre d'entrainement qui soumis au couple risque un flambage dû à la torsion. La fixation des pièces déformables sur les cylindres de mesure est assurée classiquement par vis ou liaison boulonnée (non illustrée). Pour faciliter 25 cette fixation, les extrémités libres des cylindres de mesure comportent avantageusement des dents ou plots 12A, 12B, 12C ; 14A, 14B, 14C, en nombre égal aux pièces déformables à fixer, s'étendant à leur périphérie radialement vers l'extérieur et destinés à servir de point d'ancrage pour ces pièces déformables.

30 Un ou plusieurs capteurs 28A, 28B, 28C solidaires d'une partie fixe de stator 30 est placé en regard d'au moins une face 20A du disque central 20 afin de mesurer un déplacement axial de ce disque, qui ne dépend pas de la vitesse de rotation, et donc une valeur du couple selon le principe de 3014 195 6 mesure connu notamment de la demande de brevet citée en préambule (ces capteurs sont évidemment disposés pour éviter toute collision avec les différentes pièces en rotation), la mesure du couple étant permise par la déformation relative des pièces à faible raideur formant une structure 5 mécanique souple accompagnant la déformation de l'arbre d'entrainement sous l'effet de contraintes mécaniques qu'il est susceptible de subir du fait des déformations résultant du fonctionnement de la turbomachine. Plusieurs types de capteurs sont envisageables pour effectuer la mesure.

10 On peut citer : les capteurs radars, les capteurs optiques (co-focaux ou non), les capteurs à courant de Foucault, les capteurs capacitifs, les capteurs à effet Hall et les capteurs à variation de mutuelle inductance. L'utilisation de plusieurs capteurs répartis angulairement (par exemple 3 15 capteurs à 120°) permet d'améliorer la précision en permettant, par un moyennage des mesures effectué au niveau d'une unité de traitement 32 reliée à ces capteurs, de s'affranchir des défauts de battement relatifs. En outre, ces capteurs permettent une redondance tout en améliorant la mesure en situation normale.

20 Le fonctionnement du dispositif de mesure de couple conforme à l'invention est le suivant : De façon générale, les pièces à faible raideur 12A, 12B, 12C fixées au premier cylindre de mesure 12 sont déformées quand l'arbre d'entrainement 10 est soumis à un couple et la déformation 25 de celui-ci par rapport au premier cylindre de mesure 12 assure une compression de ces pièces qui en contrepartie entraine une extension des autres pièces à faible raideur 14A, 14B, 14C fixées au second cylindre de mesure 14 et permet ainsi le déplacement axial du disque central 10 qui est fixé sur une de leur extrémité. Ce déplacement mesuré par les 30 capteurs est adressé à l'unité de traitement 32 qui en déduira le couple par simple calcul ou à partir d'abaques mémorisées préalablement. Avec cette structure symétrique, le dispositif de mesure permet une auto compensation en fonction de la température. En effet, si la température 3014 195 7 est homogène, la mesure du déplacement axial du disque central reste inchangée et si l'arbre d'entrainement est plus chaud que les arbres de transmission (ou l'inverse), la dilatation différentielle entraine une rotation du disque central mais aucun déplacement axial et la mesure n'est pas 5 perturbée. De plus, si l'on a un gradient thermique sur la longueur, la dilatation des pièces à faible raideur symétriques compense la dérive de module d'élasticité. On notera que le dimensionnement des différents éléments dépend 10 beaucoup du déplacement axial de l'arbre d'entrainement en fonction du point de fonctionnement moteur : Pour un faible déplacement (0,1 ou 0,2 mm), on choisira une étendue de mesure de l'ordre de 1 à 1,5 mm, ce qui correspond à une rotation de l'arbre de 2° sur un diamètre de 80 mm ou de 1° sur un diamètre de 180 mm.

15 Lorsque le déplacement axial de l'arbre d'entrainement est très important dans une situation donnée (arrêt moteur par exemple), il peut être nécessaire d'asservir la position axiale des capteurs de déplacement à celle de l'arbre d'entrainement. Pour ce faire, et comme illustré à la figure 20 2, il convient de rendre les capteurs mobiles axialement en les montant sur une pièce 34 reliée à l'arbre d'entrainement 10 par un roulement 36 et uniquement bloquée en rotation par le stator 30 (glissière 30A). On a alors une mesure réellement différentielle qui, malgré des déplacements importants de l'arbre d'entrainement, est beaucoup plus précise.

25 L'implantation de ce roulement 36 complexifie le montage du dispositif de mesure mais elle présente les avantages suivants : - une amélioration de la précision de mesure puisque on s'affranchi de l'influence de tous les déplacements de l'arbre 30 d'entrainement, - une amélioration de la sécurité car il n'est plus nécessaire de prévoir des courses supplémentaires pour éviter les interférences, ce qui contribue à l'amélioration de la précision de mesure, et - Un étalonnage qui peut être assuré dans des conditions réelles de montage puisque le positionnement des détecteurs peut être identique au montage final, ce qui améliore également la précision globale du dispositif de mesure.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de couple dans un arbre d'entrainement (10) de turbomachine apte à transmettre un couple de torsion autour d'un axe longitudinal (X), caractérisé en ce qu'il comporte : - un premier cylindre de mesure (12) comportant une première extrémité fixée au dit arbre d'entrainement et s'étendant axialement autour dudit arbre d'entrainement jusqu'à une seconde extrémité libre, - un second cylindre de mesure (14) comportant une première extrémité 10 fixée au dit arbre d'entrainement et s'étendant axialement autour dudit arbre d'entrainement jusqu'à une seconde extrémité libre faisant face à ladite seconde extrémité libre dudit premier cylindre de mesure, - un disque central (20) monté coulissant sur ledit arbre d'entrainement entre lesdites secondes extrémités libres, 15 - une pluralité de pièces déformables (22A, 22B, 24A, 24B, 26A, 26B) régulièrement réparties autour dudit disque central, chaque pièce déformable étant fixée par une première extrémité au dit disque central et par une seconde extrémité à l'une ou l'autre desdites extrémités libres, les premières extrémités desdites pièces déformables se déplaçant 20 axialement en fonction de la différence de déformation entre lesdits premier et second cylindres de mesure, et - au moins un capteur de déplacement (28A, 28B, 28C) solidaire d'une partie fixe (30) de ladite turbomachine, faisant face à l'une au moins des faces (20A) dudit disque central et relié à une unité de traitement (32) 25 pour déterminer le couple de torsion exercé sur ledit arbre d'entrainement à partir d'une mesure du déplacement axial dudit disque central.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pièces déformables présentent sensiblement une forme de S aplati pour 30 éviter des pics de contrainte et obtenir une déformation maximum.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un capteur de déplacement est choisi parmi l'un des capteurs suivants : capteur optique, capteur à courant de Foucault, capteur capacitif, capteur à effet Hall, capteur à variation de mutuelle inductance, 5 capteur radar.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un capteur de déplacement est monté sur une pièce (34) reliée au dit arbre d'entrainement par un roulement (36) et mobile axialement mais bloquée en rotation dans ladite partie fixe de la turbomachine.
5. 5. Turbomachine comportant un dispositif de mesure de couple selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.