FR3110236A1 - Dispositif de mesure du couple d’un arbre de turbomachine et turbomachine comprenant un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de mesure du couple de torsion d’un arbre rotatif (10) de turbomachine, comprenant : un émetteur (12) émettant un faisceau laser (F), un miroir (14) renvoyant le faisceau laser, des obturateurs (16, 18) présentant chacun des secteurs obturateurs et des lumières, les obturateurs étant agencés de sorte à ce qu’au moins une lumière de chaque obturateur est traversée par le faisceau laser, les obturateurs étant mobiles avec l’arbre, et les lumières des obturateurs étant mutuellement agencées de sorte que le nombre de lumières laissant passer le faisceau laser augmente proportionnellement avec la torsion de l’arbre sous l’effet du couple, un récepteur (26) recevant le faisceau laser renvoyé (F’) et émettant un signal représentatif du faisceau laser reçu, et un calculateur recevant le signal émis et comptant le nombre de lumières laissant passer le faisceau laser sur la base du signal. Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
L’invention se rapporte au domaine des turbomachines, notamment des turboréacteurs, et en particulier à la mesure du couple de torsion d’un arbre de la turbomachine.
De façon connue, un turboréacteur d’aéronef comporte un système de régulation configuré pour assurer que le moteur délivre bien la poussée demandée par le pilote de l’aéronef. Toutefois, il n’est pas possible d’effectuer une mesure directe de la poussée effectivement délivrée par le moteur. De ce fait, la poussée délivrée par le moteur est estimée par un calcul, qui est basé sur la mesure de certains paramètres de fonctionnement du moteur.
Par exemple, sur certains moteurs, c’est le régime de l’arbre basse pression (BP) qui est utilisé pour calculer cette poussée. Néanmoins, ce calcul dépend d’une modélisation du lien régime–poussée, ainsi que de la connaissance de l’environnement aérothermique dans lequel fonctionne le moteur. Ce calcul comprend donc des marges, pour tenir compte des approximations du modèle et des erreurs de mesure. Toutefois, ces marges se traduisent par un fonctionnement non optimal du moteur.
Il existe différents systèmes de mesure du couple de l’arbre BP du turboréacteur.
Par exemple, il est connu de la demande de brevet français FR 2 995 018 A1, une turbomachine comportant des moyens de mesure de la vitesse et du couple de torsion d’un arbre de la turbomachine. L’arbre qui relie le compresseur BP de la turbomachine à la boîte de vitesse est muni de deux roues phoniques, à l’amont et à l’aval de cet arbre. Le déphasage de ces deux roues phoniques permet de donner une mesure de la torsion de l’arbre. Néanmoins, ce dispositif est peu précis, et sa mise au point est complexe. En outre, ce dispositif s’intègre difficilement dans un turboréacteur.
Pour des essais de développement, il est également connu un couple-mètre pour la mesure du couple d’un arbre BP d’un moteur de turboréacteur placé sur un banc d’essai. Des jauges de contraintes sont montées sur l’arbre BP, et rapportent leurs mesures dans un repère fixe, via une canne de télémesure. Toutefois, ce système est complexe, et délicat à mettre au point.
Il est également connu un couple-mètre optique pour la mesure du couple d’un arbre de turbomachine. Ce couple-mètre comporte des secteurs obturateurs des tailles identiques montés sur des disques rapportés sur l’arbre. Les secteurs obturateurs s’ouvrent et se ferment tous de la même façon, et c’est la proportion d’ouverture (ou de fermeture) qui fournit l’indication de la torsion. Dans ce système, le nombre de lumières passantes (entre deux secteurs obturateurs) ne varie pas avec la torsion de l’arbre. Toutefois, ce système est difficilement intégrable au sein d’un arbre BP, et l’amplitude et la précision de ce système sont limitées. En particulier, la précision de ce système est facilement perturbée par une pollution de l’environnement, par exemple par la présence d’huile, qui altère la quantité de lumière passante.
Il est également connu de la demande de brevet français FR 2 940 833 A1, un couple-mètre optique qui mesure la torsion d’un arbre tournant en utilisant le trajet aller-retour d’un rayon laser dans l’arbre tournant auquel sont fixés deux filtres polarisants traversés par le rayon laser.
Il est également connu un couple-mètre optique pour la mesure du couple d’un arbre tournant, comprenant deux obturateurs montés sur l’arbre et étant traversés par un faisceau lumineux dans un seul sens. Les obturateurs sont munis de fentes non radiales orientées différemment d’un obturateur à l’autre. La position radiale du faisceau lumineux transmis au récepteur dépend de l’angle de torsion de l’arbre.
L’invention a pour objectif de proposer une solution permettant de remédier à au moins certains des inconvénients précités.
Afin d’améliorer la régulation d’un turboréacteur, l’invention propose d’y adjoindre un dispositif de mesure du couple de l’arbre BP, qui permet de connaître la puissance délivrée à la soufflante ou au compresseur BP, et donc d’en déduire la poussée du moteur (et de la réguler au juste besoin), ainsi que la position du point de fonctionnement du moteur (et d’identifier la marge au pompage et de flottement).
À cet effet, l’invention concerne un dispositif de mesure du couple de torsion d’un arbre rotatif de turbomachine, comprenant :
- un émetteur configuré pour émettre un faisceau laser selon une première direction, ledit émetteur étant fixe par rapport à l’arbre,
- un miroir agencé pour renvoyer ledit faisceau laser émis dans une deuxième direction,
- des premier et deuxième obturateurs présentant chacun une pluralité de secteurs obturateurs et une pluralité de lumières agencées entre deux secteurs obturateurs consécutifs, les premier et deuxième obturateurs étant agencés de sorte à ce qu’au moins une lumière de chaque obturateur est traversée par ledit faisceau laser selon lesdites première et deuxième directions, le faisceau laser émis traversant le premier obturateur puis le deuxième obturateur, et le faisceau laser renvoyé traversant le deuxième obturateur puis le premier obturateur, lesdits obturateurs étant mobiles avec l’arbre, les lumières desdits premier et deuxième obturateurs étant mutuellement agencées de sorte que le nombre de lumières laissant passer le faisceau laser augmente proportionnellement avec la torsion de l’arbre sous l’effet du couple,
- un récepteur configuré pour recevoir le faisceau laser renvoyé dans la deuxième direction et pour émettre un signal représentatif du faisceau laser reçu, le récepteur étant agencé en aval du premier obturateur dans le sens du faisceau laser renvoyé, et
- un calculateur configuré pour recevoir le signal émis par le récepteur et pour compter le nombre de lumières laissant passer le faisceau laser sur la base dudit signal.
L’invention permet avantageusement de mesurer de très faibles variations de torsion de l’arbre (au dixième de degrés près), pour avoir une précision suffisante de mesure du couple moteur, et en même temps être compatible avec une forte amplitude de torsion (d’environ 10 degrés), pour pouvoir fonctionner dans l’ensemble des phases de fonctionnement du moteur.
Selon l’invention, les lumières des premier et deuxième obturateurs sont mutuellement agencées de sorte que le nombre de lumières laissant passer le faisceau laser augmente proportionnellement avec la torsion de l’arbre. Par exemple, les secteurs obturateurs du premier obturateur sont de tailles différentes, de sorte que c’est le nombre de lumières passantes, et non leur degré d’ouverture, qui indique la torsion de l’arbre.
Un brouillard d’huile ne peut obstruer totalement le passage d’un faisceau laser, et donc ne peut perturber le nombre de secteurs obturateurs comptés comme passant, et donc ne peut perturber l’estimation de la torsion. Selon l’invention, l’estimation de la torsion par le comptage du nombre de lumières passantes lors d’un tour de l’arbre permet une insensibilité à la pollution de l’environnement.
Selon l’invention, la puissance du faisceau laser reçue par le récepteur augmente continument avec la torsion de l’arbre.
Le miroir et le deuxième obturateur peuvent être formés en une seule pièce. Par exemple, le miroir et le deuxième obturateur peuvent être formés par des secteurs de revêtement opaque sur la face réfléchissante du miroir, ou par des secteurs de revêtement réfléchissant sur un support non réfléchissant.
Le récepteur peut être accolé à l’émetteur.
Le récepteur peut être un récepteur photovoltaïque, configuré pour envoyer un signal de tension au calculateur.
L’arbre de turbomachine peut, en plus de subir une torsion, également subir une flexion, ce qui peut avoir pour conséquence que le faisceau laser émis est reçu à côté du récepteur. En effet, une flexion de l’arbre induit un déplacement relatif des deux obturateurs, ainsi qu’un déplacement du miroir, et donc un décalage angulaire du retour du faisceau laser émis par rapport à une situation où la flexion est nulle.
Le miroir peut être incliné par rapport à la première direction du faisceau laser émis. Dans ce cas, le récepteur est agencé radialement à l’arbre, à une distance radiale plus éloignée de l’arbre que l’émetteur. Ceci permet avantageusement de pallier à la flexion de l’arbre.
En utilisation normale, la flexion de l’arbre sous balourd est limitée (quelques centaines, voire dizaines de millimètres). L’erreur de lecture est donc limitée à un seul des deux obturateurs, ce qui ne perturbe que peu la mesure du couple. De plus, cette flexion se traduit généralement par des vibrations qui sont identifiées par le pilote de l’aéronef.
La hauteur (dimension en s’éloignant radialement de l’axe d’élongation de l’arbre) du miroir peut être augmentée, de manière à pallier à la flexion de l’arbre.
La hauteur des lumières des obturateurs peut être augmentée, de manière à pallier à la flexion de l’arbre.
Les lumières du deuxième obturateur peuvent être réparties selon un pas constant. Autrement dit, les secteurs obturateurs du deuxième obturateur peuvent être de largeur constante.
Les lumières du premier obturateur peuvent être réparties selon un pas variable. En variante, les lumières du premier obturateur peuvent être réparties selon un pas constant. Dans ce cas, la largeur des secteurs obturateurs du premier obturateur peut être égale à la largeur des lumières du premier obturateur.
Les secteurs obturateurs et les lumières des premier et deuxième obturateurs peuvent être agencés tels que :
avec L1 étant la largeur des secteurs obturateurs du premier obturateur, L2 étant la largeur des lumières du premier obturateur, L étant la largeur des secteurs obturateurs du deuxième obturateur, et étant la largeur des lumières du deuxième obturateur.
Le dispositif de mesure peut comprendre une pluralité d’émetteurs, chaque émetteur étant configuré pour émettre un faisceau laser selon la première direction, et chaque émetteur étant fixe par rapport à l’arbre. Ceci permet avantageusement d’avoir un système redondant, pour être tolérant aux cas de pannes électroniques.
Le dispositif de mesure peut comprendre :
- un deuxième émetteur configuré pour émettre un deuxième faisceau laser selon la première direction, ledit deuxième faisceau laser étant sensiblement parallèle au premier faisceau laser (i.e. le faisceau laser du premier émetteur), le deuxième émetteur étant fixe par rapport à l’arbre,
le miroir étant agencé pour renvoyer le deuxième faisceau laser émis dans la deuxième direction,
les premier et deuxième obturateurs présentant chacun une deuxième pluralité de secteurs obturateurs et une deuxième pluralité de lumières agencées entre deux secteurs obturateurs consécutifs, les deuxièmes pluralités de secteurs obturateurs et de lumières étant agencées radialement à l’arbre, à une distance radiale plus éloignée de l’arbre que les premières pluralités de secteurs obturateurs et de lumières, les deuxièmes lumières étant radialement plus fines que les premières lumières, les premier et deuxième obturateurs étant agencés de sorte à ce qu’au moins une deuxième lumière de chaque obturateur est traversée par ledit deuxième faisceau laser selon lesdites première et deuxième directions, les deuxièmes lumières desdits premier et deuxième obturateurs étant mutuellement agencées de sorte que le nombre de deuxième lumières laissant passer le faisceau laser augmente proportionnellement avec la torsion de l’arbre,
- un deuxième récepteur configuré pour recevoir le deuxième faisceau laser renvoyé dans la deuxième direction et pour émettre un deuxième signal représentatif du faisceau laser reçu, le récepteur étant agencé en aval du premier obturateur dans le sens du deuxième faisceau laser renvoyé, et
le calculateur étant configuré pour recevoir le deuxième signal émis par le deuxième récepteur et pour compter le nombre de lumières laissant passer le deuxième faisceau laser sur la base dudit deuxième signal.
Ainsi, le dispositif selon l’invention peut permettre de réaliser deux mesures en parallèle, l’une étant plus précise que l’autre, de manière à combiner une amplitude et une précision de mesures correctes.
L’invention concerne également une turbomachine comprenant un arbre et un dispositif de mesure selon l’invention, ledit dispositif de mesure étant agencé sur ledit arbre.
La turbomachine peut être un turboréacteur.
La turbomachine peut comprendre un palier à roulement supportant l’arbre, ledit palier étant agencé en amont de l’émetteur dans le sens du faisceau laser émis.
La turbomachine peut comprendre un compresseur basse pression, l’émetteur étant disposé dans le compartiment du compresseur basse pression. Dans ce cas, l’émetteur peut être couplé à une fibre optique, la fibre optique étant configurée pour acheminer le faisceau laser selon la première direction depuis l’aval du premier obturateur dans le sens du faisceau laser émis. Avantageusement, l’émetteur laser agencé dans le compartiment du compresseur basse pression est ainsi disposé dans un environnement moins chaud.
L’arbre de turbomachine peut être un arbre basse pression. Plus précisément, l’arbre peut être un arbre de transmission de la turbine basse pression. En variante, l’arbre de turbomachine peut être un arbre haute pression.
Cette mesure du couple est particulièrement utile sur un turboréacteur d’aéronef muni d’une tuyère variable ou d’une soufflante à calage variable, puisqu’elle permet de fournir les informations nécessaires au pilotage de ces équipements.
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
De manière classique, une turbomachine d’aéronef de type turboréacteur à double corps (i.e. avec un corps basse pression et un corps haute pression) comprend d’amont en aval, dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Le rotor du compresseur basse pression est entraîné par le rotor de la turbine basse pression, et le rotor du compresseur haute pression est entraîné par le rotor de la turbine haute pression.
La figure 1 représente un arbre 10 de turbomachine, par exemple un arbre basse pression de turboréacteur. L’arbre 10 peut être un arbre de transmission de la turbine basse pression. L’arbre 10 peut également être un arbre haute pression. L’arbre 10 s’étend longitudinalement selon l’axe noté X sur la figure 1. L’arbre 10 est soutenu par un palier à roulement 20, disposé en aval de l’arbre 10.
L’arbre 10 est muni d’un dispositif de mesure du couple de torsion de ce dernier. Le dispositif de mesure du couple de torsion comporte au moins un émetteur 12 configuré pour émettre un faisceau laser F selon une première direction, représentée par la flèche A sur la figure 1. Pour des raisons de redondance, le dispositif de mesure peut comprendre une pluralité d’émetteurs, chaque émetteur étant configuré pour émettre un faisceau laser selon la première direction. Le ou chaque émetteur 12 est fixe par rapport à l’arbre 10. Autrement dit, un émetteur ne tourne pas avec l’arbre lorsque ce dernier subit une torsion. L’émetteur 12 est disposé en aval du palier à roulement 20. L’émetteur 12 peut être disposé dans un compartiment du compresseur basse pression, et être couplé à une fibre optique qui achemine le faisceau laser F selon la première direction depuis l’aval du premier obturateur 16 dans le sens du faisceau laser émis.
Le dispositif de mesure du couple comporte un miroir 14 agencé pour renvoyer le faisceau laser F émis dans une deuxième direction, représentée par la flèche B sur la figure 1. Le faisceau laser renvoyé F’ est représenté sur la figure 1. La deuxième direction est sensiblement opposée à la première direction. Le miroir 14 est situé à l’extrémité amont de l’arbre 10. Sur la figure 1, le miroir 14 est incliné par rapport à la direction du faisceau laser F.
Le dispositif de mesure du couple comporte un récepteur 26 configuré pour recevoir le faisceau laser renvoyé F’ dans la deuxième direction. Le récepteur 26 est également configuré pour émettre un signal représentatif du faisceau laser reçu. Le récepteur 26 peut être accolé à l’émetteur 12, comme représenté sur la figure 1. Le récepteur 26 peut être un récepteur photovoltaïque. Le récepteur 26 est agencé radialement à l’arbre 10, à une distance radiale plus éloignée de l’arbre 10 que l’émetteur 12. Ceci permet avantageusement de pallier à la flexion de l’arbre 10.
Le dispositif de mesure du couple comporte également un calculateur (non représenté) configuré pour recevoir le signal émis par le récepteur 26.
Le dispositif de mesure du couple comporte un premier obturateur 16 et un deuxième obturateur 18. Le premier obturateur 16 est disposé à proximité de l’émetteur 12, de sorte que le faisceau laser émis traverse le premier obturateur 16 puis le deuxième obturateur 18. Le faisceau laser F se reflète sur le miroir 14, puis le faisceau laser renvoyé F’ traverse le deuxième obturateur 18 puis le premier obturateur 16. Les obturateurs 16, 18 sont mobiles avec l’arbre 10. Le récepteur 26 est disposé en aval du premier obturateur 16 dans le sens du faisceau laser renvoyé.
Le miroir 14 et le deuxième obturateur 18 peuvent être formés en une même pièce. Par exemple, le miroir 14 et le deuxième obturateur 18 peuvent être formés par des secteurs de revêtement opaque prévus sur la face réfléchissante du miroir 14. Le miroir 14 et le deuxième obturateur 18 peuvent par exemple être formés par des secteurs de revêtement réfléchissant prévus sur un support non réfléchissant.
La figure 2 représente une vue développée de l’intérieur de l’arbre 10. Chaque obturateur 16, 18 présente une pluralité de secteurs obturateurs 22a, 22b et une pluralité de lumières 24a, 24b agencées entre deux secteurs obturateurs 22a, 22b consécutifs. Un secteur obturateur 22a, 22b est configuré pour bloquer le faisceau laser F, tandis qu’une lumière 24a, 24b est configurée pour laisser passer le faisceau laser F, F’. Le faisceau laser F est fixe par rapport à l’arbre 10 (puisque l’émetteur 12 est fixe par rapport à l’arbre 10), tandis que les obturateurs 16, 18 tournent avec l’arbre 10. Les obturateurs 16, 18 sont agencés de sorte à ce qu’au moins une lumière 24a, 24b de chaque obturateur 16, 18 est traversée par le faisceau laser F, F’ selon les première et deuxième directions.
Comme représenté sur la figure 2, le deuxième obturateur 18 est constitué de plusieurs secteurs obturateurs 22b équirépartis d’une même distance ε. Ces secteurs obturateurs 22b ont la même largeur L (i.e. la même dimension radiale par rapport à l’axe X). Autrement dit, les lumières 24b du deuxième obturateur 18 sont réparties selon un pas constant noté L, et les secteurs obturateurs 22b du deuxième obturateur 18 sont répartis selon un pas constant noté ε.
La figure 3A représente une vue de face du deuxième obturateur 18. Sur cette figure, les secteurs obturateurs 22b sont équirépartis, et ont la même largeur L, au sens de même étendue angulaire. De même, les lumières 24b sont équiréparties, et ont la même largeur. Par souci de simplification, les lumières 24b sont représentées comme des fentes de largeur constante, mais il faut comprendre qu’il est préférable que chaque fente ait une forme trapézoïdale avec deux côtés s’étendant radialement. Ainsi, on obtient une largeur angulaire constante pour chaque fente, ce qui permet que la durée de passage d’un faisceau laser à travers une fente soit indépendante de la position radiale du faisceau par rapport à la fente, et donc indépendante de la flexion de l’arbre 10 qui peut faire dévier radialement le faisceau. Le deuxième obturateur 18 peut bien entendu comporter plus ou moins de secteurs obturateurs que ceux représentés, et de même, plus ou moins de lumières que celles représentées.
La hauteur (i.e. la dimension en s’éloignant radialement de l’axe X) des lumières 24b du deuxième obturateur 18 peut être augmentée, de manière à pallier à la flexion de l’arbre 10. De même, la hauteur du miroir 14 peut être augmentée, de manière à pallier à la flexion de l’arbre 10.
Comme représenté sur la figure 2, le premier obturateur 16 est constitué de plusieurs secteurs obturateurs 22a équirépartis d’une même distance L2. Ces secteurs obturateurs 22a ont la même largeur L1. Autrement dit, les lumières 24a du premier obturateur 16 sont réparties selon un pas constant noté L1, et les secteurs obturateurs 22a du premier obturateur 16 sont répartis selon un pas constant noté L2. La largeur L1 des secteurs obturateurs 22a du premier obturateur 16 peut être égale à la largeur L2 des lumières 24a du premier obturateur 16.
Bien entendu, les lumières 24a du premier obturateur 16 peuvent être réparties selon un pas variable. La figure 3B représente une vue de face du premier obturateur 16. Sur cette figure, les secteurs obturateurs 22a et les lumières 24a ont des largeurs différentes.
La hauteur des lumières 24a du premier obturateur 16 peut être augmentée, de manière à pallier à la flexion de l’arbre 10.
Les secteurs obturateurs 22a, 22b et les lumières 24a, 24b des obturateurs 16, 18 peuvent être agencés tels que :
avec L1 la largeur des secteurs obturateurs 22a du premier obturateur 16, L2 la largeur des lumières 24a du premier obturateur 16, L la largeur des secteurs obturateurs 22b du deuxième obturateur 18, et étant la largeur des lumières 24b du deuxième obturateur 18.
Les lumières 24a, 24b des obturateurs 16, 18 sont mutuellement agencées de sorte que le nombre de lumières 24a, 24b laissant passer le faisceau laser F, F’ augmente proportionnellement avec la torsion de l’arbre 10 sous l’effet du couple. En particulier, la torsion de l’arbre 10 est proportionnelle au ratio de la puissance du faisceau laser F’ sur la puissance du faisceau laser émise F. Plus la torsion de l’arbre 10 est importante, et plus les obturateurs 16, 18 présentent des lumières 24a, 24b passantes en vis-à-vis selon la trajectoire du faisceau laser F, F’, et donc plus le nombre de passages aller-retour du faisceau laser F, F’ à travers les lumières 24a, 24b des obturateurs 16, 18 est important sur un tour de l’arbre 10.
Sur la figure 2, l’arbre 10 ne subit pas, ou peu, de torsion. Les seules lumières 24a, 24b en vis-à-vis selon la trajectoire du faisceau laser F sont ici encadrées en pointillés P1, au niveau de deux secteurs obturateurs de référence 220b, 240a. Au niveau des autres secteurs obturateurs 22a, 22b, il n’y a pas de vis-à-vis entre les lumières 24a, 24b. Le faisceau laser F, F’ (représenté en pointillés) ne traverse donc pas les lumières 22a, 22b. Lorsque l’arbre 10 fait un tour, il y a donc un seul passage aller-retour du faisceau laser F, F’. Dans ce cas, le récepteur 26 collecte une seule impulsion laser, ici très brève. Le ratio entre la puissance du faisceau laser reçue sur la puissance du faisceau laser émise est donc faible.
En référence à la figure 2, les secteurs obturateurs de référence 220b, 240a des obturateurs 16, 18 présentent deux bords respectifs (encadrés en pointillés P1) alignés dans la direction axiale du faisceau laser F, F’, de façon à ce qu’à chaque tour de l’arbre 10, le récepteur 26 puisse envoyer au calculateur au moins une impulsion (un signal d’intensité en créneau). Le calculateur est également configuré pour compter le nombre de lumières 24a, 24b laissant passer le faisceau laser F, F’ sur la base du signal reçu du récepteur 26. En l’absence de torsion de l’arbre, le seul moment où le faisceau laser F, F’ traverse les deux obturateurs 16, 18 correspond au passage de ces bords respectifs des secteurs de référence 220b, 240a devant le faisceau laser F.
Au fur et à mesure que l’arbre se tord, sous l’effet du couple de la turbine représenté par la flèche T1 sur la figure 2, un nombre croissant des lumières 24b du second obturateur 18 se positionne en face des lumières 24a passantes du premier obturateur 16, laissant ainsi passer de plus en plus de lumière, et augmentant ainsi le ratio entre la puissance du faisceau laser reçue sur la puissance du faisceau laser émise. Ce ratio donne ainsi une estimation de la torsion, permettant le calcul du couple.
Le calculateur peut également être configuré pour calculer le ratio entre le nombre d’impulsions du faisceau laser reçues sur un tour de l’arbre 10 et le nombre de lumières 24b du second obturateur 18. La largeur L1 des secteurs obturateurs 22a est alors calibrée pour que ce ratio soit égal à 1 lorsque la torsion de l’arbre 10 atteint sa valeur maximale.
Les figures 4 à 8 représentent le dispositif de mesure du couple dans différentes positions de torsion de l’arbre 10.
Sur la figure 4, l’arbre 10 ne subit pas de torsion. Aucune lumière 24b du second obturateur 18 ne se positionne en face d’une lumière 24a du premier obturateur 16. Le faisceau laser F, représenté en pointillés, est bloqué par les secteurs obturateurs 22a, 22b. La puissance collectée par le récepteur 26 est donc nulle.
Sur la figure 5, l’arbre 10 subit une torsion (représentée par la flèche T2). À mesure qu’un décalage angulaire entre les deux obturateurs 16, 18 augmente, une seule lumière 242b du second obturateur 18 (entourée en pointillés P2) se positionne en face d’une lumière 242a passante du premier obturateur 16. Les autres lumières 24a du premier obturateur 16 ne sont pas passantes, et bloquent le faisceau laser F (représentés en pointillés).
Sur la figure 6, l’arbre 10 subit une torsion (représentée par la flèche T3) supérieure à la torsion T2 de la figure 5. Deux lumières 244b du second obturateur 18 (entourées en pointillés P3, P4) se positionnent alors chacune en face d’une lumière 244a passante du premier obturateur 16. Les autres lumières 24a du premier obturateur 16 ne sont pas passantes, et bloquent le faisceau laser F (représentés en pointillés).
Sur cette figure 6, la deuxième lumière 244b passante (entourée en pointillés P4) n’est pas complètement en face de la lumière 244a passante associée du premier obturateur 16. Si le décalage angulaire (i.e. la torsion) augmente, cette deuxième lumière 244b sera de plus en plus en face de la lumière 244a passante associée du premier obturateur 16, augmentant ainsi la puissance du faisceau laser collectée pendant un tour de l’arbre 10, tandis que le nombre d’impulsions par tour reste égal à deux.
Sur la figure 7, l’arbre 10 subit une torsion (représentée par la flèche T4) supérieure à la torsion T3 de la figure 6. Trois lumières 246b du second obturateur 18 (entourées en pointillés P5, P6) se positionnent alors chacune en face d’une lumière 246a passante du premier obturateur 16. Les autres lumières 24a du premier obturateur 16 ne sont pas passantes, et bloquent le faisceau laser F.
La disposition des secteurs obturateurs 22a, 22b (et donc des lumières 24a, 24b) est prévue telle que lorsqu’une lumière 24b du deuxième obturateur 18 devient complètement en face de la lumière 24a passante associée du premier obturateur 16, la lumière 24b suivante commence à devenir passante.
Sur la figure 7 est représentée la transition entre la troisième lumière 246b (entourée en pointillés P6) du deuxième obturateur 18 devenue complètement passante et la quatrième lumière 248b du deuxième obturateur 18 qui commence à devenir passante (entourée en pointillés P7). Ainsi, la puissance du faisceau laser collectée augmente continument avec l’angle de torsion de l’arbre 10.
Sur la figure 8, l’arbre 10 subit une torsion (représentée par la flèche T5) supérieure à la torsion T4 de la figure 7. Le dispositif de mesure compte jusqu’à six lumières 250b, 252b passantes du deuxième obturateur 18 par tour de l’arbre 10 (entourées en pointillés P8). À partir du moment où la sixième lumière 252b du deuxième obturateur 18 devient passante, un maximum d’angle de torsion de l’arbre 10 détectable par le dispositif de mesure est atteint. Ce maximum correspond à la largeur L d’un secteur obturateur 22b du deuxième obturateur 18 (les six secteurs obturateurs 22b ayant la même largeur). Si l’angle de torsion de l’arbre 10 augmente encore, les lumières 250b avant la sixième lumière 252b du deuxième obturateur 18 vont progressivement se fermer et la puissance du faisceau laser reçue va diminuer.
Comme représenté sur la figure 7, le deuxième obturateur 18 peut présenter une fente 26 de largeur prédéterminée, permettant de former un signal de comptage des tours de l’arbre 10, de sorte à mesurer la vitesse de rotation de l’arbre 10.
Afin d’augmenter l’angle de torsion de l’arbre 10 détectable par le dispositif de mesure, la largeur de chaque secteur obturateur 22b du deuxième obturateur 18 peut être augmentée.
Par ailleurs, le nombre de lumières 24a, 24b passantes lorsque le maximum d’angle de torsion de l’arbre 10 détectable est atteint, est égal au rapport entre le pas des lumières 24b du deuxième obturateur 18 et la largeur de la lumière 24b elle-même. Plus le ratio entre l’angle maximum de torsion de l’arbre 10 détectable par le dispositif de mesure et le nombre maximum de lumières 24a, 24b passantes est faible, plus la précision de la mesure est élevée.
Le signal S envoyé par le récepteur 26 au calculateur sur un tour de l’arbre 10 peut présenter la forme représentée en figure 9. Le signal S comporte trois impulsions larges 300, correspondants aux première, deuxième et troisième lumières 246b passantes du deuxième obturateur 18 de la figure 7, et une impulsion plus fine 302, correspondant à la quatrième lumière 248b du deuxième obturateur 18 qui devient passante. L’impulsion 304 représentée en pointillés correspond au faisceau laser F, F’ traversant la fente 26 de largeur prédéterminée, et permettant de déterminer la vitesse de rotation de l’arbre 10.
La puissance du faisceau laser reçue est sensiblement proportionnelle au nombre d’impulsions, avec une imprécision sur la dernière impulsion, qui est moins large que les autres.
Afin d’augmenter la précision, le calculateur peut être configuré pour déterminer la largeur de la dernière impulsion, ou le ratio entre la largeur de la dernière impulsion et celle des autres impulsions.
Le calculateur peut en outre être configuré pour déterminer un ratio entre la puissance de la dernière impulsion sur la puissance de l’avant dernière impulsion, la puissance d’une impulsion pouvant être déterminée par une intégration du signal S.
Selon un mode de réalisation non représenté, le dispositif de mesure peut comprendre un deuxième émetteur configuré pour émettre un deuxième faisceau laser selon la première direction A. Le deuxième faisceau laser est sensiblement parallèle au premier faisceau laser (i.e. au faisceau laser du premier émetteur). Le deuxième émetteur est également fixe par rapport à l’arbre.
Le miroir 14 est alors également agencé pour renvoyer le deuxième faisceau laser émis dans la deuxième direction B.
Les obturateurs 16, 18 présentant chacun une deuxième pluralité de secteurs obturateurs et une deuxième pluralité de lumières agencées entre deux secteurs obturateurs consécutifs. Les deuxièmes pluralités de secteurs obturateurs et de lumières sont alors agencées radialement à l’arbre 10, à une distance radiale plus éloignée de l’arbre 10 que les premières pluralités de secteurs obturateurs 22a, 22b et de lumières 24a, 24b. Les obturateurs 16, 18 ayant une forme de disque, les deuxièmes pluralités de secteurs obturateurs et de lumières occupent, sur chaque disque, une partie annulaire qui est extérieure et concentrique à la partie annulaire occupée par les premières pluralités de secteurs obturateurs et de lumières. Les deuxièmes lumières sont radialement plus fines que les premières lumières 24a, 24b. Les obturateurs 16, 18 sont agencés de sorte à ce qu’au moins une deuxième lumière de chaque obturateur 16, 18 est traversée par le deuxième faisceau laser selon les première et deuxième directions A, B. Les deuxièmes lumières des obturateurs 16, 18 sont mutuellement agencées de sorte que le nombre de deuxième lumières laissant passer le deuxième faisceau laser augmente proportionnellement avec la torsion de l’arbre 10.
Le dispositif de mesure peut comprendre un deuxième récepteur configuré pour recevoir le deuxième faisceau laser renvoyé dans la deuxième direction B et pour émettre un deuxième signal représentatif du faisceau laser reçu. Le deuxième récepteur est agencé en aval du premier obturateur 16 dans le sens du deuxième faisceau laser renvoyé.
Le calculateur est alors également configuré pour recevoir le deuxième signal émis par le deuxième récepteur et pour compter le nombre de lumières laissant passer le deuxième faisceau laser sur la base du deuxième signal.
Ainsi, le dispositif selon l’invention peut comporter deux systèmes de mesure en parallèle, à la façon d’un vernier, l’un étant plus précis que l’autre, de manière à combiner une amplitude et une précision de mesure correctes. Les premières pluralités de secteurs obturateurs et de lumières peuvent permettre une mesure des degrés de torsion de l’arbre, tandis que les deuxièmes pluralités de secteurs obturateurs et de lumières peuvent permettre une mesure des dixièmes de degrés de torsion de l’arbre.
Claims (10)
- Dispositif de mesure du couple de torsion d’un arbre rotatif (10) de turbomachine, comprenant :
- un émetteur (12) configuré pour émettre un faisceau laser (F) selon une première direction (A), ledit émetteur étant fixe par rapport à l’arbre,
- un miroir (14) agencé pour renvoyer ledit faisceau laser émis dans une deuxième direction (B),
- des premier et deuxième obturateurs (16, 18) présentant chacun une pluralité de secteurs obturateurs (22a, 22b, 220b, 240a) et une pluralité de lumières (24a, 24b, 242a, 242b, 244a, 244b, 246a, 246b, 248b, 250b, 252b) agencées entre deux secteurs obturateurs consécutifs, les premier et deuxième obturateurs (16, 18) étant agencés de sorte à ce qu’au moins une lumière de chaque obturateur est traversée par ledit faisceau laser selon lesdites première et deuxième directions (A, B), le faisceau laser émis (F) traversant le premier obturateur (16) puis le deuxième obturateur (18), et le faisceau laser renvoyé (F’) traversant le deuxième obturateur (18) puis le premier obturateur (16), lesdits obturateurs étant mobiles avec l’arbre (10), les lumières desdits premier et deuxième obturateurs étant mutuellement agencées de sorte que le nombre de lumières laissant passer le faisceau laser augmente proportionnellement avec la torsion de l’arbre sous l’effet du couple,
- un récepteur (26) configuré pour recevoir le faisceau laser renvoyé (F’) dans la deuxième direction (B) et pour émettre un signal représentatif du faisceau laser reçu, le récepteur étant agencé en aval du premier obturateur (16) dans le sens du faisceau laser renvoyé (F’), et
- un calculateur configuré pour recevoir le signal émis par le récepteur (26) et pour compter le nombre de lumières laissant passer le faisceau laser sur la base dudit signal.
- Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel le miroir (14) et le deuxième obturateur (18) sont formés en une seule pièce.
- Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le récepteur (26) est accolé à l’émetteur (12).
- Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le miroir (14) est incliné par rapport à la première direction du faisceau laser émis (F), le récepteur (26) étant agencé radialement à l’arbre (10), à une distance radiale plus éloignée de l’arbre que l’émetteur (12).
- Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les lumières (24b, 242b, 244b, 246b, 248b, 250b, 252b) du deuxième obturateur (18) sont réparties selon un pas constant et les lumières (24a, 242a, 244a, 246a) du premier obturateur (16) sont réparties selon un pas variable.
- Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les secteurs obturateurs (22a, 22b, 220b, 240a) et les lumières (24a, 24b, 242a, 242b, 244a, 244b, 246a, 246b, 248b, 250b, 252b) des premier et deuxième obturateurs (16, 18) sont agencés tels que :
- Dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité d’émetteurs, chaque émetteur configuré pour émettre un faisceau laser selon la première direction, chaque émetteur étant fixe par rapport à l’arbre.
- Turbomachine comprenant un arbre (10) et un dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 7, ledit dispositif de mesure étant agencé sur ledit arbre.
- Turbomachine selon la revendication 8, comprenant un palier à roulement (20) supportant l’arbre (10), ledit palier étant agencé en amont de l’émetteur (12) dans le sens du faisceau laser émis (F).
- Turbomachine selon l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel l’arbre (10) de turbomachine est un arbre basse pression.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR2004853A FR3110236B1 (fr) | 2020-05-15 | 2020-05-15 | Dispositif de mesure du couple d’un arbre de turbomachine et turbomachine comprenant un tel dispositif |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR2004853 | 2020-05-15 | ||
| FR2004853A FR3110236B1 (fr) | 2020-05-15 | 2020-05-15 | Dispositif de mesure du couple d’un arbre de turbomachine et turbomachine comprenant un tel dispositif |
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| FR3110236A1 true FR3110236A1 (fr) | 2021-11-19 |
| FR3110236B1 FR3110236B1 (fr) | 2022-05-06 |
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ID=72178696
Family Applications (1)
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| FR2004853A Active FR3110236B1 (fr) | 2020-05-15 | 2020-05-15 | Dispositif de mesure du couple d’un arbre de turbomachine et turbomachine comprenant un tel dispositif |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5841132A (en) * | 1994-08-25 | 1998-11-24 | Lucas Industries Public Limited Company | Optical displacement sensor and torque sensor employing relatively movable slit patterns |
| US5918286A (en) * | 1994-09-26 | 1999-06-29 | Smith; Frantz Karsten | Apparatus for torque measurement on rotating shafts |
| FR2940833A1 (fr) | 2009-01-08 | 2010-07-09 | Snecma | Dispositif de mesure de torsion d'un arbre tournant |
| FR2995018A1 (fr) | 2012-09-06 | 2014-03-07 | Snecma | Turbomachine comportant des moyens de mesure de la vitesse et du couple de torsion d'un arbre de la turbomachine et procede de surveillance dudit arbre |
-
2020
- 2020-05-15 FR FR2004853A patent/FR3110236B1/fr active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3110236B1 (fr) | 2022-05-06 |
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