FR3132949A1 - Carter de soufflante instrumenté pour le suivi d’un paramètre physique - Google Patents
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Abstract
Carter de soufflante instrumenté pour le suivi d’un paramètre physique L’invention concerne un carter (10) de soufflante instrumenté pour turbomachine aéronautique, ledit carter instrumenté étant en matériau composite ou en matériau métallique et étant muni sur une surface d’au moins une fibre optique (5a ; 5b) formant élément de détection utile pour le suivi d’un paramètre physique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
L’invention concerne une solution pour permettre le suivi d’une ou plusieurs sollicitations physiques s’appliquant à un carter de soufflante de turbomachine aéronautique en instrumentant sa surface par une ou plusieurs fibres optiques.
Le contrôle de santé des structures (« Structural Health Monitoring » ; « SHM ») a pour objectif de maintenir et de prolonger la durée de vie des pièces structurelles, de détecter et prédire leurs défaillances.
Il demeure souhaitable de disposer, pour des carters de soufflante de turbomachine aéronautique, de nouvelles solutions d’instrumentation fiables afin de mesurer en fonctionnement ou sur banc d’essai différentes grandeurs physiques comme la déformation, la température ou l’accélération subie. Une telle instrumentation permettrait, lors d’un évènement imprévu, de pouvoir statuer précisément sur l’état de santé du carter et d’agir en conséquence, par exemple d’éviter de changer la pièce à cause d’un diagnostic imprécis (gain de coût et de temps) et d’éviter une éventuelle faille de sécurité à cause d’une anomalie non détectée.
L’invention concerne un carter de soufflante instrumenté pour turbomachine aéronautique, ledit carter instrumenté étant en matériau composite ou en matériau métallique et étant muni sur une surface d’au moins une fibre optique formant élément de détection utile pour le suivi d’un paramètre physique.
L’invention permet de contrôler de manière fiable l’état de santé de la pièce lors de sa période de service ou lors d’un essai sur banc.
Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une fibre optique comprend un cœur présentant au moins un filtre optique à réseau de Bragg.
L’emploi d’un filtre optique à réseau de Bragg permet de donner un état particulièrement précis de la santé matière du carter.
Dans un exemple de réalisation, le carter est muni de plusieurs fibres optiques réparties selon une direction circonférentielle et associées à des secteurs angulaires distincts.
Une telle caractéristique permet une localisation plus précise d’une anomalie.
Dans un exemple de réalisation, le carter est muni de plusieurs fibres optiques réparties selon une direction axiale et comprenant au moins des fibres optiques présentes sur les brides du carter à ses extrémités axiales et au moins une fibre optique présente sur une zone centrale du carter entre les brides. La zone centrale peut correspondre au fût du carter.
Une telle caractéristique permet une localisation plus précise d’une anomalie. Les brides et la zone centrale constituent des zones à contrôler de manière prioritaire.
Dans un exemple de réalisation, le carter est muni d’au moins une fibre optique sur une surface intérieure et d’au moins une fibre optique sur une surface extérieure.
Une telle caractéristique permet avantageusement de capter les gradients du ou des paramètres physiques à suivre dans l’épaisseur du carter.
Dans un exemple de réalisation, le carter présente une première région ayant une première densité non nulle de fibres optiques et une deuxième région distincte de la première région et ayant une deuxième densité non nulle de fibres optiques différente de la première densité.
Une telle caractéristique permet de mieux adapter le réseau de fibres optiques aux sollicitations subies par le carter.
Dans un exemple de réalisation, la ou les fibres optiques sont munies d’un élément de reconnaissance permettant de les distinguer visuellement du carter.
Une telle caractéristique permet de faire contraster la ou les fibres optiques du carter, afin de simplifier le contrôle et d’éviter qu’il ne provoque un endommagement de l’instrumentation.
L’invention vise également un procédé de suivi d’un paramètre physique dans un carter de soufflante instrumenté tel que décrit plus haut, comprenant au moins la détection d’une éventuelle modification du signal optique conduit par ladite au moins une fibre optique à l’aide d’une unité de contrôle, et la détermination d’une information relative au paramètre physique à partir de la détection réalisée.
En particulier, le paramètre physique est choisi parmi l’un au moins de : la déformation du carter de soufflante, l’application de contraintes mécaniques dans le carter de soufflante, la température imposée au carter de soufflante ou la pression ou l’accélération subie par le carter de soufflante.
La représente un carter 10 de soufflante d’une turbomachine aéronautique instrumenté selon un exemple de l’invention. Le carter permet notamment de garantir la rétention en cas d’ingestion de débris ou de perte d’une aube ou d’un fragment d’aube. Le carter envisagé ici est en matériau composite et est fabriqué par tissage tridimensionnel d’une texture fibreuse laquelle est ensuite mise en forme par enroulement sur un outillage afin d’obtenir la préforme après plusieurs tours d’enroulement. La préforme est destinée à former le renfort fibreux du carter. Ce renfort peut comprendre des fils de carbone ou de verre. La préforme peut être intégralement formée par cette texture tissée 3D mais l’on peut, en variante, adjoindre à celle-ci un ou plusieurs tissus bidimensionnels et/ou une ou plusieurs couches fibreuses unidirectionnelles. Ces techniques de tissage et d’enroulement sont connues en soi. Le carter 11 en matériau composite à matrice organique peut ensuite être obtenu à partir de la texture enroulée par introduction puis réticulation d’une résine organique. Cette technique est connue en soi, on peut typiquement mettre en œuvre une technique de moulage par transfert de résine (« Resin Transfer Molding » ; « RTM »). On obtient ainsi un carter en matériau composite à matrice polymérique, par exemple en résine époxy. L’invention demeure également applicable au cas des carters métalliques. Une fois sa fabrication achevé, on vient rapporter sur la surface extérieure Sextdu carter 11 plusieurs fibres optiques 5a, 5b. On obtient ainsi le carter instrumenté 10 illustré à la . Plus particulièrement, le carter 10 est ici muni d’une pluralité de fibres optiques 5a s’étendant le long d’une direction circonférentielle DC, et qui peuvent chacune faire tout le tour du carter 10 (sur tout le périmètre, à 360°), et d’une pluralité de fibres optiques 5b qui s’étendent le long d’une direction axiale DA, qui peuvent s’étendre chacune sur toute la largeur du carter 10. Les fibres optiques 5a circonférentielles sont décalées les unes des autres le long de la direction axiale DA. Les fibres optiques 5b axiales sont décalées les unes des autres le long de la direction circonférentielle DC. On a représenté des fibres 5a, 5b qui s’étendent sensiblement linéairement lorsque le carter est vu à plat mais on ne sort pas du cadre de l’invention si elles s’étendent différemment notamment selon un motif sinueux afin, par exemple, de contourner des équipements montés sur le carter ou de passer en dessous. On a représenté une répartition sensiblement régulière des fibres optiques 5a, 5b sur le carter 10 mais celle-ci peut être irrégulière avec des régions présentant des densités distinctes de fibres optiques, en fonction du paramètre physique à suivre et des sollicitations subies par le carter 10. Il peut être avantageux d’avoir une densité variable sur la surface extérieure du carter, notamment en disposant davantage de fibres optiques au voisinage d’équipements par rapport à des zones dépourvues d’équipements. La est une vue en coupe du carter instrumenté 10 et montre la fixation utilisée pour rapporter les fibres optiques 5a, étant entendu qu’une fixation similaire peut être utilisée quelle que soit la fibre optique considérée. Les fibres optiques 5a sont collées sur le carter 11. La couche de colle 13 utilisée pour ce faire peut être continue comme illustré mais l’on peut également utiliser une couche discontinue avec une pluralité de points de colle disposés avantageusement sur les régions de contrôle prioritaires. On peut par exemple utiliser une colle époxy, par exemple commercialisée sous la référence AF 191 par la société 3M.
La illustre un exemple de structure possible pour la fibre optique 5a étant entendu que ces détails restent applicables quelle que soit la fibre optique considérée. La fibre optique 5a illustrée comprend un cœur 50a permettant la transmission d’un signal optique entouré par une gaine 54a qui participe au confinement du signal optique dans le cœur 50a. La gaine 54a et le cœur 50a sont entourés par un revêtement protecteur 56a, par exemple en matériau polymérique. Dans l’exemple illustré, le cœur 50a comprend au moins un filtre optique 52a à réseau de Bragg (« Fiber Bragg Grating » dans la littérature anglosaxonne), ou plusieurs de ces filtres positionnés les uns à la suite des autres le long du cœur 50a. Le filtre optique 52a à réseau de Bragg correspond à une structure connue en soi dans laquelle il y a une variation périodique de l’indice de réfraction avec un pas p qui permet de refléter une longueur d’onde précise, comme cela va être détaillé dans la suite.
Les figures 4A-4C montrent l’effet du filtre optique 52a à réseau de Bragg sur une onde lumineuse incidente ayant une répartition de l’intensité lumineuse IE en fonction de la longueur d’onde en entrée de fibre optique telle qu’illustrée en 4A. 4B montre l’intensité lumineuse transmise IT en fonction de la longueur d’onde au travers du filtre optique 52a et 4C montre l’intensité lumineuse réfléchie IR par le filtre optique 52a. Le filtre optique 52a permet de refléter la lumière à la longueur d’onde λB donc de filtrer cette longueur d’onde avec une certaine précision comme illustré en 4C (λB est la longueur d’onde de référence filtrée par la fibre optique). La longueur d’onde réfléchie par le filtre optique 52a est donnée par la formule ci-dessous et est fournie par le fabricant de la fibre optique :
dans cette formule n l’indice de réfraction effectif et p le pas du filtre.
Une traction ou une compression de la fibre optique aboutit à un changement du paspdu filtre et, par conséquent, de la longueur d'onde réfléchie. On a une relation linéaire entre la variation de longueur d’onde et la variation de la longueur du filtre 52a (soit la déformation) comme indiqué dans la formule ci-dessous. L’analyse de la variation de λBpermet d’en déduire la déformation.
L0désignant la longueur du filtre 52a permettant la filtration de la longueur d’onde λBet le facteur k correspondant au facteur de fibre fourni par le fabricant de la fibre. Comme représenté en 5A, l’application d’une contrainte de traction sur la fibre aboutit à un décalage vers les longueurs d’onde supérieures de la longueur d’onde réfléchie. L’application d’une contrainte de compression aboutit à l’inverse à une diminution de la longueur d’onde réfléchie (5B). On peut réfracter le reste de la lumière en fin de fibre optique afin qu’elle n’interfère pas avec la mesure et l’on en déduit alors, à partir du décalage de longueur d’onde du signal optique réfléchi par la fibre optique, la déformation de celle-ci qui permet, si cela est souhaité, de remonter à la contrainte au niveau du filtre 52a. Selon un exemple, on peut disposer en série plusieurs filtres optiques 52a à réseau de Bragg avec des pas différents afin de distinguer les signaux réfléchis par les différents filtres. On peut ainsi localiser l’application de la contrainte ou de la déformation le long de la fibre. On peut également utiliser les filtres optiques pour constituer des capteurs de pression ou d’accélération. On peut également mesurer la température appliquée à la pièce du fait d’un changement de l’indice de réfraction de la fibre optique aboutissant à une modification de la propagation du signal optique, aboutissant également dans le cas de l’emploi d’un filtre à réseau de Bragg à une modification de la longueur d’onde réfléchie.
Chaque fibre optique 5a, 5b peut être reliée à une unité de contrôle afin de pouvoir suivre un ou plusieurs paramètres physiques d’intérêt. Néanmoins dans une optique de simplification, il est souhaitable de pouvoir relier plusieurs fibres optiques 5a, 5b à une même unité de contrôle, pour cela il est possible de connecter les fibres optiques entre elles par des embouts ou par des connexions optiques réalisées par fusion locale à l’aide d’une fibre optique de jonction. Pour réaliser les connexions, les fibres optiques ainsi que les fibres optiques de jonction peuvent être dénudées à leur extrémité (élimination locale de leur gaine) puis leurs cœurs peuvent être fusionnés, par exemple par application d’un courant électrique. Le fait de connecter les fibres optiques entre elles permet de réduire le nombre d’interrogateurs nécessaires pour procéder au contrôle et, par conséquent, de simplifier la mise en œuvre.
L’unité de contrôle est reliée aux fibres optiques et peut comprendre une source de lumière, comme un laser, permettant d’envoyer de la lumière dans les fibres optiques ainsi qu’un analyseur permettant d’analyser le signal optique réfléchi, et notamment de déterminer sa longueur d’onde pour la comparer à la longueur d’onde de référence filtrée par la fibre optique. On peut disposer l’unité de contrôle dans la soufflante de la turbomachine, ou en variante la connecter uniquement pour réaliser le contrôle et le déconnecter une fois le contrôle terminé. L’unité de contrôle peut comprendre un dispositif de stockage de données permettant de stocker une information relative au signal optique traversant les fibres optiques pour analyse en continu ou ultérieure.
On vient de décrire l’invention et sa mise en œuvre dans le cadre d’un exemple particulier de réseau de fibres optiques 5a, 5b sur le carter 11 illustré à la . La suite s’attache à décrire d’autres exemples de réseaux possibles en lien avec les figures 6 à 8. Les éléments déjà décrits portent les mêmes symboles de référence dans ces figures.
La représente le cas d’un carter instrumenté 110 à la fois sur sa surface extérieure Sext(fibres optiques 5b) et sur sa surface intérieure Sint(fibres optiques 5c). Dans une variante non illustrée, l’instrumentation par les fibres optiques ne peut être faite que sur la surface intérieure Sintdu carter. Selon le cas envisagé, il peut être préférable de privilégier une instrumentation sur la surface extérieure ou sur la surface intérieure. L’instrumentation extérieure présente l’avantage d’être plus accessible et visible mais nécessite en revanche de composer avec la présence d’équipements. L’instrumentation intérieure présente l’avantage de conduire plus facilement à un réseau régulier mais nécessite une attention particulière pour la fixation de la fibre optique. Une instrumentation extérieure et intérieure présente l’avantage de capter les gradients du paramètre physique dans l’épaisseur.
La représente le cas d’un carter instrumenté 210 avec présence de fibres optiques 5d sur les brides latérales 15 et de fibres optiques 5e sur la partie centrale 17, notamment sur la partie de rétention destinée à être en regard des aubes. Les fibres optiques 5d et 5e peuvent être distinctes, en particulier avoir une longueur d’onde λB filtrée distincte, ce qui permet de localiser facilement la variation ou l’apparition d’une sollicitation physique sur le carter. Comme illustré, il peut ne pas y avoir de recouvrement entre les fibres optiques 5d des brides 15 et les fibres optiques 5e de la portion centrale 17. De manière similaire et toujours dans l’optique de permettre une localisation aisée de la sollicitation physique, une répartition circonférentielle des fibres optiques est possible ( ). Dans ce cas, chaque fibre optique 5f est associée à un secteur angulaire distinct du carter instrumenté 310. Comme illustré, il peut ne pas y avoir de recouvrement entre les fibres optiques 5f associées à deux secteurs angulaires distincts. On a représenté une instrumentation extérieure mais celle-ci peut être réalisée en surface intérieure en variante ou en combinaison de l’instrumentation extérieure.
Les fibres optiques mises en œuvre dans le cadre de l’invention qui viennent d’être décrites présentent un réseau de Bragg. On notera que l’invention n’est pas limitée à ce cas dans la mesure où il est possible d’analyser le signal optique transmis par des fibres dépourvues de réseau de Bragg afin de suivre le paramètre physique d’intérêt. On peut par exemple analyser le signal optique en amplitude et/ou le spectrogramme de l’onde. Une analyse en transmission est également possible si les fibres optiques comprennent un réseau de Bragg. Une détection du signal optique réfléchi reste néanmoins préférable afin de ne pas multiplier les points de connexion de l’unité de contrôle.
On peut également noter que l’invention trouve un intérêt pour des carters initialement non instrumentés lors de leur mise en service pour lesquels une opération de maintenance peut être mise à profit afin de les munir de la ou des fibres optiques.
Quel que soit l’exemple considéré, les fibres optiques peuvent être peintes en une couleur distincte de la couleur du carter afin de faciliter leur localisation.
Claims (9)
- Carter (10 ; 110 ; 210 ; 310) de soufflante instrumenté pour turbomachine aéronautique, ledit carter instrumenté étant en matériau composite ou en matériau métallique et étant muni sur une surface (Sext; Sint) d’au moins une fibre optique (5a-5f) formant élément de détection utile pour le suivi d’un paramètre physique.
- Carter (10) de soufflante instrumenté selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une fibre optique (5a) comprend un cœur (50a) présentant au moins un filtre optique (52a) à réseau de Bragg.
- Carter (310) de soufflante instrumenté selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le carter est muni de plusieurs fibres optiques (5f) réparties selon une direction circonférentielle (DC) et associées à des secteurs angulaires distincts.
- Carter (210) de soufflante instrumenté selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le carter est muni de plusieurs fibres optiques réparties selon une direction axiale (DA) et comprenant au moins des fibres optiques (5d) présentes sur les brides (15) du carter à ses extrémités axiales et au moins une fibre optique (5e) présente sur une zone centrale (17) du carter entre les brides.
- Carter (110 ; 210) de soufflante instrumenté selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le carter est muni d’au moins une fibre optique (5c ; 5d ; 5e) sur une surface intérieure (Sint) et d’au moins une fibre optique (5b ; 5d ; 5e) sur une surface extérieure (Sext).
- Carter (10 ; 110 ; 210 ; 310) de soufflante instrumenté selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le carter présente une première région ayant une première densité non nulle de fibres optiques et une deuxième région distincte de la première région et ayant une deuxième densité non nulle de fibres optiques différente de la première densité.
- Carter (10 ; 110 ; 210 ; 310) de soufflante instrumenté selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la ou les fibres optiques (5a-5f) sont munies d’un élément de reconnaissance permettant de les distinguer visuellement du carter (11).
- Procédé de suivi d’un paramètre physique dans un carter (10 ; 110 ; 210 ; 310) de soufflante instrumenté selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins la détection d’une éventuelle modification du signal optique conduit par ladite au moins une fibre optique (5a-5f) à l’aide d’une unité de contrôle, et la détermination d’une information relative au paramètre physique à partir de la détection réalisée.
- Procédé selon la revendication 8, dans lequel le paramètre physique est choisi parmi l’un au moins de : la déformation du carter (11) de soufflante, l’application de contraintes mécaniques dans le carter de soufflante, la température imposée au carter de soufflante ou la pression ou l’accélération subie par le carter de soufflante.
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