FR3015750A1 - Dispositif de surveillance de l'etat d'une machine tournante - Google Patents

Dispositif de surveillance de l'etat d'une machine tournante Download PDF

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Abstract

L'invention consiste en un dispositif de surveillance d'une machine tournante, comprenant une partie tournante et une partie fixe, ledit dispositif comprenant un capteur de mesure adapté pour être disposé sur la partie fixe de la machine tournante et adapté pour créer un signal électrique continu comportant une information sur l'état de la machine tournante, le dispositif comprenant un système de transmission sans fil comprenant un émetteur haute-fréquence analogique adapté pour être disposé sur la partie fixe et pour envoyer un signal analogique continu comportant les informations sur l'état de la machine tournante contenu dans le signal électrique créé par le capteur de mesure, et un récepteur haute-fréquence analogique adapté pour recevoir le signal analogique, la bande-passante dudit système de transmission sans fil étant comprise entre 20 et 40 kHz, et l'utilisation de signaux analogique permettant d'obtenir des informations sur l'état de la machine tournante en continu et sans interruption.

Description

Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine de l'optimisation de production, en particulier de production d'énergie électrique.
Plus précisément, l'invention concerne la transmission de signaux de mesure utiles à la surveillance de machines tournantes ou de moteurs, sans perturbation de leur fonctionnement. Le domaine de l'invention est celui des Non-Intrusive Stress Measurement System (NSMS, système de mesure de contraintes non-invasif), aussi appelés Blade Tip Timing (BU, mesure de temps de passage d'aube) ou Blade Vibration Monitoring (BVM, contrôle de vibration d'aube), qui permettent de contrôler l'état d'une machine tournante et en particulier les vibrations des arbres, ailettes, aubes ou pales de turbines sans interrompre ni gêner leur fonctionnement. Arrière-plan technologique La mesure de vibration d'ailettes de turbine ou de moteur permet de connaître la contrainte exercée en pied d'ailettes ou de pales et ainsi d'identifier un défaut ou une détérioration. Ces mesures servent ensuite à planifier les révisions ou, le cas échéant, les réparations. Le BVM consiste à mesurer le temps de passage de chaque ailette ou pale, à l'aide d'un capteur de mesure, que l'on compare ensuite à un temps théorique. Très souvent, les systèmes comprenant ces ailettes ou pales, sont des alternateurs, des générateurs ou des turbines enfermés dans des coffrages ou capotages, plus généralement des enveloppes extérieures, qui viennent protéger les structures internes et compliquent leur accès.
Des solutions de BVM existent déjà mais elles présentent des inconvénients qui limitent et compliquent leur utilisation. L'art antérieur connait des dispositifs de surveillance dans lesquels la transmission des données entre le capteur de mesure, situé à proximité des ailettes ou des pales et une unité de traitement, située notamment à l'extérieur de la machine ou du moteur, est réalisée par liaisons filaires. Étant donnée la taille de ces machines tournantes, ces liaisons filaires peuvent faire plusieurs dizaines de mètres de longueur, et, à cause de l'enveloppe extérieure, il est laborieux de faire circuler des câbles : évitement des points chauds, maintien des fils pour éviter les ballotennents tout en gardant de la souplesse pour garder l'accès aux structures internes... En outre, intervenir directement sur l'enveloppe extérieure pour le passage des fils peut lui faire perdre des caractéristiques de protection, d'isolation, de résistance, etc. Plus généralement, les fils entravent les opérations d'ouverture des enveloppes extérieures. Il a alors été proposé des transmissions sans fil mais le mode de transmission est numérique. Étant donné les durées très courtes entre deux passages d'ailettes ou de pales successives (parfois de l'ordre de la microseconde), une interruption, même très brève, du signal, décalerait l'observation des ailettes ou pales. De plus, la bande-passante offerte est trop limitée. L'art antérieur ne propose ainsi pas de solutions satisfaisantes.
Résumé de l'invention Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif présentant des performances supérieures à l'état de la technique.
L'objet de l'invention consiste ainsi en un dispositif de surveillance de l'état d'une machine tournante, comprenant une partie tournante et une partie fixe, ledit dispositif comprenant un capteur de mesure adapté pour être disposé sur la partie fixe de la machine tournante et adapté pour créer un signal électrique comportant une information sur l'état de la machine tournante, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système de transmission sans fil comprenant : - un émetteur haute-fréquence analogique adapté pour être disposé sur la partie fixe et pour envoyer un signal analogique continu comportant les informations sur l'état de la machine tournante contenu dans le signal électrique créé par le capteur de mesure, - un récepteur haute-fréquence analogique adapté pour recevoir le signal analogique, la bande-passante dudit système de transmission sans fil étant comprise entre 20 et 40 kHz, et l'utilisation de signaux analogiques permettant d'obtenir des informations sur l'état de la machine tournante en continu et sans interruption.
Le dispositif de surveillance sans fil transmettant un signal analogique conforme à l'invention permet ainsi de simplifier la mise en place du dispositif et rend le dispositif très peu invasif vis-à-vis de la machine tournante et laisse les opérations d'ouverture inchangées. En outre, l'utilisation de signaux analogiques améliore grandement l'exactitude des mesures et assure un suivi correct des ailettes ou des pales. Ce dispositif permet ainsi l'exploitation courante, la surveillance ponctuelle et l'expertise, grâce à un système embarqué qui délivre en continu une information relative à l'état de la machine tournante.30 Avantageusement, ce dispositif peut être complété des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le capteur de mesure est un capteur de mesure inductif passif possédant un champ de détection et générant des variations de 5 tension électrique lorsqu'un élément de la partie tournante pénètre dans ledit champ de détection ; - le capteur de mesure inductif est composé d'une première bobine et d'un premier aimant permanent ; 10 - le dispositif comprend un cristal de type quartz pour générer la bande-passante de l'émetteur/récepteur, comprise entre 20 et 40 kHz ; 15 - le dispositif comprend en outre un système d'alimentation autonome pour l'émetteur et/ou le capteur de mesure, ledit système étant situé sur la partie fixe et comprenant : - Un capteur d'alimentation, adapté pour être disposé sur la partie fixe et adapté pour fournir une énergie sous 20 forme de tension électrique à l'émetteur et/ou au capteur de mesure, - Un système de traitement et de stockage de ladite énergie ; 25 - le système d'alimentation comprend un module du type pont de diodes dans lequel la tension électrique est redressée à travers un pont de diodes, un condensateur électrochimique de lissage, et un condensateur de stockage ; - le capteur d'alimentation est un capteur d'alimentation inductif de type passif composé d'une deuxième bobine et d'un deuxième aimant permanent. - la machine tournante est disposée dans une enveloppe 5 extérieure et le récepteur comprend une antenne de réception adaptée pour être placée à l'intérieur de l'enveloppe extérieure, et de préférence fixée à ladite enveloppe, - la machine tournante est disposée dans une enveloppe extérieure perméable aux ondes électromagnétiques et le 10 récepteur comprend une antenne de réception adaptée pour être placée à l'extérieur de ladite enveloppe. L'invention concerne aussi une machine tournante comportant un dispositif de surveillance tel que décrit précédemment, en particulier une machine adaptée pour la production d'électricité. 15 L'invention concerne aussi un procédé de surveillance de l'état d'une machine tournante. Brève description des dessins 20 Les figures présentes dans la description sont données à titre illustratif et ne sont nullement limitatives. La figure 1 représente le schéma général d'un dispositif conforme à l'invention selon un mode de réalisation préféré et mis en place sur une machine tournante, les échelles n'étant pas respectées. 25 La figure 2 présente un schéma électronique d'un mode de réalisation d'un émetteur selon l'invention. La figure 3 présente un détail d'un mode de réalisation d'un émetteur et de l'alimentation. 30 Description détaillée d'un mode de réalisation Une description détaillée du dispositif conforme à l'invention va à présent être donnée, en référence aux figures annexées.
Le dispositif de mesure est adapté pour relever une mesure relative à l'état d'une machine tournante. La machine tournante Par machine tournante 2, on entend tout type de machine comprenant une partie tournante 21 ou rotor, préférablement autour d'un axe de rotation donné, et une partie fixe 22, fixe par rapport à un référentiel terrestre classique. La machine tournante 2 est généralement placée dans une enveloppe extérieure 23, généralement appelée coffrage ou capotage. D'une façon préférentielle mais nullement restrictive, la machine tournante 2 est une turbine couplée à une génératrice d'électricité, de type alternateur, ou un moteur. La partie tournante 21 est ainsi préférablement une roue aubagée de turbine, et comprend de façon préférentielle au moins un élément 21a, assimilé à une ailette, une pale ou une aube. Le dispositif Le dispositif de mesure comprend un capteur de mesure 30 et un système de transmission sans fil comprenant un émetteur 40 et un récepteur 50. Le capteur de mesure 30 est adapté pour être disposé sur la partie fixe 22 et est adapté pour créer un signal électrique continu comportant une information sur l'état de la machine tournante 2. Ce signal est ensuite transmis à un émetteur analogique haute-fréquence 40, adapté pour être disposé sur la partie fixe 22, qui émet un signal analogique modulé avec une onde porteuse, ledit signal modulé comportant l'information sur l'état de la machine tournante 2 contenu dans le signal électrique créé par le capteur de mesure 30. Ce signal modulé est ensuite reçu par un récepteur analogique haute-fréquence 50. Ledit récepteur 50 récupère ladite information pour les transférer ensuite à une unité de traitement 60. Le capteur de mesure 30 Le capteur de mesure 30, adapté pour être disposé sur la partie fixe 22, possède un champ de détection 32. Lorsqu'un élément rotatif de la partie tournante 21, tel que l'élément 21a assimilé à une ailette ou une aube, pénètre dans ce champ de détection 32, le signal électrique créé par le capteur de mesure 30 subit des variations comportant une information sur l'état de la machine tournante 2. Ledit signal électrique continu est donc une grandeur analogique. Ce signal électrique continu est préférablement une tension. Le volume du champ de détection 32 et la valeur de ladite tension, pouvant être comprise en 0 et 100V, dépendent du capteur de mesure 30. Ce signal électrique continu est ensuite envoyé du capteur 30 vers l'émetteur 40 par liaison filaire. Ce signal électrique continu comportera une composante dont la fréquence correspond aux passages de l'élément 21a dans le champ de détection 32 et ainsi l'information contenue dans le signal électrique comprend une information relative à une vibration dudit élément 21a. Selon un mode de réalisation, le capteur de mesure 30 est un capteur de mesure inductif passif, comprenant une première 30 bobine et un premier aimant permanent, créant un champ magnétique correspondant au champ de détection 32. Lorsqu'un élément rotatif de la partie tournante 21, et en particulier l'élément 21a assimilé à une aube ou une ailette, pénètre dans ce champ 32, le champ magnétique subit des perturbations et le flux de ce champ magnétique au travers de la première bobine génère des variations de la tension. Cette tension comporte l'information sur l'état de la machine tournante 2. Le capteur de mesure 30 inductif passif est aisément intégrable sur la partie fixe 22 de la machine tournante 2.
Alternativement, le capteur de mesure 30 est un capteur de mesure actif, capable de générer une variation de la tension quand la partie tournante 21 pénètre dans le champ de détection 32. Un système d'alimentation 70 est alors prévu. Celui-ci sera décrit ultérieurement.
L'émetteur 40 Comme mentionné précédemment, l'émetteur 40 est adapté pour moduler le signal électrique continu avec une onde porteuse en un signal modulé qui est ensuite émis via une antenne d'émission 46. Dans le cas d'une tension, le signal électrique subit une adaptation d'entrée par un adaptateur d'entrée 43 qui normalise ladite tension entre 0 et 1V. L'adaptateur d'entrée 43 peut soit agir comme un atténuateur soit comme une amplification en fonction de la valeur de tension avant l'adaptation. Cette tension normalisée contient l'information relative à l'état de la machine tournante 2. L'onde porteuse est générée par un générateur d'ondes porteuses 42 puis mélangée avec ladite tension normalisée par un mélangeur 44. Préférablement, la modulation se fait en fréquence. Le signal modulé est appliqué à un module adaptateur d'impédance 45 afin d'adapter les caractéristiques du signal modulé pour l'émission par l'antenne d'émission 46. Le signal émis est donc un signal analogique. Préférablement, l'émission se fait en très haute fréquence (VHF). Le générateur d'ondes porteuses 42 comprend un quartz à grande largeur de bande, de type céramique, qui permet une bande-5 passante de l'émetteur 40 comprise entre 20 et 40 kHz. Dans un mode de réalisation particulier, le générateur de porteuse comprend un quartz qui génère une fréquence qui n'est pas rigoureusement fixe. A titre d'exemple, la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un 10 circuit de l'émetteur 40 dans lequel la tension normalisée par l'adaptateur 43 est dirigée vers un collecteur d'un transistor NPN 43a au silicium de type audio universel à courant moyen puis appliquée à une diode varicap 44a. La variation de tension à ses bornes modifie la valeur de sa capacité et assure la modulation en 15 fréquence. Un deuxième transistor NPN 44b au silicium participe à l'émission ultra haute fréquence (VHF). Le module adaptateur d'impédance 45 comprend dans cet exemple une première inductance d'accord 45a couplée à un premier condensateur d'accord 45b qui transmet l'énergie à une deuxième inductance 20 d'accord 45c couplée à un deuxième condensateur 45d, l'énergie étant transmise à l'antenne d'émission 46 avec une impédance proche de 50 Ohms. L'émetteur 40 est alimenté entre 7,2 et 14,4 V et consomme moins de 10nnA. En outre, le circuit 40 est constitué d'une pluralité de résistances R1...Rn et de 25 condensateurs C1...Cn. Le circuit est relié à une masse M. Le récepteur 50 Le récepteur 50 reçoit le signal modulé 41 qui comprend l'information sur l'état de la machine tournante 2 pour notamment le démoduler. Le récepteur 50 est typiquement adapté pour être disposé à l'extérieur de l'enveloppe. En outre, le récepteur 50 comprend une antenne de réception 51. Selon un mode de réalisation préférée, ladite antenne de réception 51 est située à l'intérieur de l'enveloppe extérieure 23 et de préférence fixée à celle-ci, de sorte que l'enveloppe extérieure 23, généralement métallique, ne gêne pas la réception du signal modulé. Alternativement, dans le cas d'une enveloppe extérieure perméable aux ondes électromagnétiques, l'antenne de réception 51 peut être placée à l'extérieur de ladite enveloppe extérieure 23. Le récepteur 50 est de type classique, largement connu par l'homme du métier et est adapté pour recevoir les fréquences d'émission de l'émetteur 40. Le récepteur 50 est relié, préférablement par liaison filaire, à une unité de traitement 60 qui analyse ensuite l'information contenue dans le signal continu. L'alimentation 70 Afin d'alimenter en énergie l'émetteur 40 et le capteur de mesure 30 dans le mode de réalisation impliquant un capteur de mesure 30 actif, les deux étant situés sur la partie fixe 22 de la machine tournante 2 et étant donc peu accessibles, il est avantageux de recourir au système d'alimentation électrique 70 disposé lui-même sur la partie fixe 22. Ce système d'alimentation électrique 70 permet d'éviter de recourir aux câbles et fils d'alimentation.
Selon un premier mode de réalisation, le système d'alimentation 70 peut consister en une pile ou une batterie reliée à l'émetteur 40 et/ou au capteur de mesure 30, de sorte que ledit système 70 fournit l'énergie électrique nécessaire pour le fonctionnement de l'émetteur 40 et/ou du capteur de mesure 30. La pile ou batterie est changée lors de phase de maintenance de la machine tournante 2, durant laquelle des opérateurs doivent accéder à la partie fixe 22 généralement comprise à l'intérieur de l'enveloppe extérieure 23. Selon un mode de réalisation préférée, le système d'alimentation 5 70 est autonome. Il comprend un solénoïde passif 71 sensible à des variations de champ magnétique correspondant à un deuxième champ de détection. Typiquement, de la même façon que le capteur de mesure 30 et le champ de détection 32, lorsqu'un élément rotatif de la machine tournante, tel que 10 l'élément 21a, pénètre dans le deuxième champ de détection, une tension d'alimentation non nulle est générée par le solénoïde passif 71. Cette tension d'alimentation est ensuite récupérée par un système de traitement et de stockage 73. Avantageusement, ledit système de traitement et de stockage 73 15 comprend un pont de diodes à faible perte pour redresser ladite tension d'alimentation, puis un condensateur électrochimique de lissage lisse ladite tension d'alimentation. Enfin, après application à un convertisseur continu-continu à haut rendement, ladite tension d'alimentation est stockée dans un condensateur de 20 stockage, électrochimique de très haute capacité. Le condensateur de stockage alimente ensuite l'émetteur 40 et/ou le capteur de mesure 30. Avantageusement, le solénoïde passif est constitué par un capteur d'alimentation 71, ledit capteur d'alimentation étant du même 25 type que le capteur de mesure 30, et notamment, selon un mode de réalisation préféré décrit auparavant, par un capteur d'alimentation inductif passif, comprenant une deuxième bobine et un deuxième aimant permanent, créant un deuxième champ magnétique correspondant au deuxième champ de détection.
En outre, il est possible de concevoir des variantes d'un tel dispositif afin de l'adapter à des types d'environnements différents. Des améliorations d'étanchéité ou de consolidation peuvent être prévues pour résister à la vapeur ou aux vibrations.
En particulier, le dispositif peut être adapté pour répondre à des normes de types ATEX (atmosphères explosibles). Selon un autre aspect de l'invention, il est aussi présenté ici une machine tournante 2 comportant le dispositif de surveillance 1 défini précédemment. Avantageusement, cette machine tournante est une turbine ou un moteur, comportant des ailettes, des pales ou des aubes, dont le dispositif de surveillance va mesurer les vibrations. En particulier, la machine tournante est destinée à la production d'électricité. Selon un autre aspect de l'invention, il est aussi présenté ici un 15 procédé de surveillance de machine tournante à l'aide d'un dispositif de surveillance. Les modes de réalisation décrits précédemment ne sont pas limitatifs et l'homme du métier saura appréhender toutes les variantes de réalisation possibles conformes à l'invention. 20

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de surveillance (1) de l'état d'une machine tournante (2), comprenant une partie tournante (21) et une partie fixe (22), ledit dispositif comprenant un capteur (30) adapté pour être disposé sur la partie fixe (22) de la machine tournante (2) et adapté pour créer un signal électrique comportant une information sur l'état de la machine tournante (2), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système de transmission sans fil comprenant : - un émetteur analogique haute-fréquence (40) adapté pour être disposé sur la partie fixe (22) et pour envoyer un signal analogique continu (41) comportant l'information sur l'état de la machine tournante contenu dans le signal électrique créé par le capteur de mesure (30), - un récepteur analogique haute-fréquence (50) adapté pour recevoir le signal analogique, la bande-passante dudit système de transmission sans fil étant comprise entre 20 et 40 kHz, et l'utilisation de signaux analogiques permettant d'obtenir des informations sur l'état de la machine tournante (2) en continu et sans interruption.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de mesure (30) est un capteur de mesure inductif passif possédant un champ de détection (32) et générant des variations de tension électrique lorsqu'un élément (21a)de la partie tournante (21) pénètre dans ledit champ de détection (32).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur de mesure (30) inductif est composé d'une première bobine (33) et d'un premier aimant permanent (34).
  4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un cristal de type quartz pour générer la bande- passante de l'émetteur/récepteur, comprise entre 20 et 40 kHz.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système d'alimentation autonome (70) pour l'émetteur (40) et/ou le capteur de mesure (30) , ledit système (70) étant situé sur la partie fixe (22) et comprenant : - Un capteur d'alimentation (71), adapté pour être disposé sur la partie fixe (22) et adapté pour fournir une énergie sous forme de tension électrique à l'émetteur (40) et/ou au capteur de mesure (30), - Un système de traitement et de stockage (73) de ladite énergie.
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un module du type pont de diodes, un condensateur électrochimique de lissage, et un condensateur de stockage.
  7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le capteur d'alimentation (71) est un capteur d'alimentation inductif de type passif composé d'une deuxième bobine et d'un deuxième aimant permanent.
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine tournante (2) est disposée dans une enveloppe extérieure (23), le récepteur (50) comprenant une antenne de réception (51) adaptée pour être placée à l'intérieur de l'enveloppe extérieure (23), et de préférence fixée à ladite enveloppe (23).
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la machine tournante (2) est disposée dans une enveloppe extérieure (23) perméable aux ondes électromagnétiques, le récepteur (50) comprenant une antenne de réception (51) adaptée pour être placée à l'extérieur de l'enveloppe extérieure (23).
  10. 10. Machine tournante (2) comportant un dispositif de surveillance conforme à l'une des revendications précédentes.
  11. 11. Machine tournante (2) selon la revendication 10 destinée à la production d'électricité.
  12. 12. Procédé de surveillance de l'état d'une machine tournante (2), comprenant une partie tournante (21) et une partie fixe (22), à l'aide d'un dispositif comprenant un capteur (30) adapté pour être disposé sur la partie fixe (22)de la machine tournante (2) et adapté pour créer un signal électrique (31) comportant une information sur l'état de la machine tournante (2), caractérisé en ce qu'il comprend : - Une étape d'émission d'un signal analogique continu à l'aide un émetteur analogique haute-fréquence (40) comportant l'information sur l'état de la machine tournante contenu dans le signal électrique adapté pour être disposé sur la partie fixe (22) et pour envoyer un signal analogique continu (41) créé par le capteur de mesure (30), - Une étape de réception à l'aide d'un récepteur analogique haute-fréquence (50), la bande-passante dudit système de transmission sans fil étant comprise entre 20 et 40 kHz, et l'utilisation de signaux analogiques permettant d'obtenir des informations sur l'état de la machine tournante (2) en continu et sans interruption.
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