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WO 2012/101380
PCT/FR2012/050159
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ÉTAGE DE TURBOMACHINE
La présente invention concerne un étage d'une turbomachine
comprenant une roue mobile et des moyens de contrôle des jeux en
sommet d'aube.
De manière conventionnelle, une turbomachine à double flux
comprend d'amont en aval une soufflante à la sortie de laquelle le flux d'air
se divise en un flux d'air primaire circulant à l'intérieur d'un turboréacteur
dans un compresseur, une chambre de combustion et une turbine et en un
flux d'air secondaire circulant autour du turboréacteur.
La soufflante est formée d'une roue mobile comportant un disque
portant sur sa périphérie externe une pluralité d'aubes régulièrement
réparties autour de l'axe du disque. Un carter entoure extérieurement les
aubes. Pour éviter un passage d'air en sommet d'aubes qui diminuerait le
rendement de la turbomachine, un revêtement en matière abradable est
porté par la surface interne du carter de soufflante et disposé au droit des
aubes de la soufflante.
En fonctionnement, il est important de contrôler le jeu entre les
extrémités radialement externe des aubes et le carter afin de maintenir en
permanence une distance minimale mais suffisante entre les extrémités
libres des aubes et le carter pour éviter tout contact pouvant nuire à la
solidité mécanique de la roue de soufflante et donc réduire sa durée de vie.
Il est également important de connaître le comportement vibratoire des
aubes en rotation.
A cette fin, on a proposé de former une pluralité de bossages sur la
surface externe du carter, chaque bossage comprenant un orifice
débouchant à l'intérieur et à l'extérieur du carter pour l'insertion d'un
capteur cylindrique de type capacitif engagé de sorte que sa face interne
affleure sensiblement la surface interne du carter. La surface interne du
carter en regard des extrémités radialement externes des aubes est
recouverte de matière abradable à l'exception des zones portant les
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capteurs. Une cavité est ainsi formée entre la face active de chaque
capteur et les extrémités radialement externes des aubes. Ces cavités sont
nécessaires pour éviter tout contact entre les extrémités radialement
externes des aubes et les capteurs.
Lors de la rotation de la roue de soufflante, ces cavités génèrent
d'importantes nuisances sonores du fait du passage à grande vitesse des
extrémités radialement externes des aubes de soufflante en regard des
cavités.
La formation des orifices dans les bossages du carter pose
également des problèmes de tenue mécanique dans le cas d'un carter
réalisé en matériau composite, ce qui peut créer des difficultés pour obtenir
les certifications nécessaires à la commercialisation de la turbomachine.
Enfin, un tel agencement des capteurs peut conduire à un
encrassement de leur face active, pouvant induire des erreurs de mesure.
Pour résoudre cette dernière difficulté, il a été proposé de combler les
cavités avec de la mousse polyuréthane. Toutefois, ce type de mousse se
désagrège en fonctionnement.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
économique et efficace à ces différents problèmes.
A cette fin, elle propose un étage de turbomachine, comprenant une
roue mobile comportant une pluralité d'aubes entourées extérieurement par
un carter portant sur sa surface interne une couche de matière abradable
en regard des extrémités libres des aubes, caractérisée en ce qu'au moins
un capteur plan de mesure de jeu en sommet d'aube est porté par la
surface interne du carter et recouvert par la couche de matière abradable.
Les capteurs cylindriques relativement lourds et volumineux de la
technique antérieure sont remplacés par des capteurs plans légers et de
dimensions radiales très réduites, ce qui permet de les poser directement
sur la surface interne du carter. De plus, l'utilisation de capteurs plans ne
nécessite pas la réalisation de bossages ou perçages dans le carter, ce qui
permet d'améliorer la tenue mécanique du carter et de réduire les
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nuisances sonores puisque les cavités en regard des extrémités
radialement externes des aubes sont supprimées. L'encrassement des
capteurs est également évité puisque ceux-ci sont protégés par la matière
abradable. Enfin, le recouvrement des capteurs par la couche de matière
abradable permet de les protéger contre l'humidité.
Avantageusement, le capteur plan est un capteur de type capacitif. Il
a une forme circulaire d'un diamètre de l'ordre de 30 millimètres et une
épaisseur inférieure à 1 millimètre.
Avantageusement, le capteur est recouvert par une couche d'environ
5 à 7 millimètres d'abradable.
Dans une réalisation particulière de l'invention, trois capteurs plans
précités sont portés par le carter.
Dans un agencement particulier, un capteur est placé en position
latérale, les deux autres capteurs étant positionnés symétriquement sur le
carter de part et d'autre du premier capteur
Ces deux autres capteurs peuvent être placés en position supérieure
et inférieure sur le carter.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le carter comprend au
moins un orifice pour le passage d'un câble de connexion au capteur, cet
orifice étant positionné axialement en dehors de la zone de rotation des
aubes, de manière à éviter l'ajout de nuisances sonores par la formation de
cavités d'air dans la zone axiale de passage des extrémités radialement
externe des aubes.
Avantageusement, l'orifice précité est formé en amont du bord
d'attaque des aubes.
L'invention concerne également une soufflante ou un compresseur
comprenant au moins un étage tel que décrit ci-dessus.
L'invention concerne encore une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur d'avion, comprenant au moins un étage, une soufflante ou un
compresseur équipé de capteurs de mesure de jeu en sommet d'aube du
type décrit précédemment.
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D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à
la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et
en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
¨ la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une
soufflante d'un turboréacteur ;
¨ la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un capteur porté
par le carter de la soufflante de la figure 1, dans la technique
antérieure ;
¨ la figure 3 est une représentation schématique d'un exemple de
réalisation de l'invention ;
¨ la figure 4 est une vue de face d'un capteur plan utilisé dans l'exemple
de la figure 3.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une soufflante 10
d'une turbomachine d'axe 12, comprenant une roue formée d'un disque 14
portant à sa périphérie une pluralité d'aubes 16 dont les pieds sont
engagés dans des rainures du disque 14 et dont les pales 18 s'étendent
radialement vers l'extérieur en direction d'un carter 20 de soufflante portant
une nacelle 22 entourant extérieurement les aubes 16. La roue de
soufflante est entraînée en rotation autour de l'axe 12 de la turbomachine
par un arbre 24 fixé par des boulons 26 à une paroi tronconique 28
solidaire de la roue de soufflante. L'arbre 24 est supporté et guidé par un
palier 30 lequel est porté par l'extrémité amont d'un support annulaire 32
fixé en aval à un carter intermédiaire (non représenté) disposé en aval d'un
compresseur basse-pression 34 dont le rotor 36 est solidaire de la roue de
soufflante par l'intermédiaire d'une paroi de liaison 38.
Le carter de soufflante 20 comprend sur une face interne un
revêtement de matière abradable 40 disposé au droit des aubes 16 de
soufflante et destiné à s'user lors d'un contact avec les extrémités
rad ialement externes des aubes 16. Cette couche de matière abradable 40
permet de réduire les jeux entre les sommets des aubes 16 et le carter de
soufflante 20 et ainsi d'optimiser les performances de la turbomachine.
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Le compresseur basse pression 34 comprend une alternance
d'aubes fixes 42 portées par un carter externe 44 et de roues mobiles 46
portées par le rotor 36. Chaque roue mobile 46 comprend une pluralité
d'aubes régulièrement réparties autour de l'axe 12 de la turbomachine et
5 entourées extérieurement par une couche 48 de matière abradable
portée
par la surface interne du carter 44 du compresseur basse pression.
Afin de mesurer les jeux aux sommets des aubes de la soufflante 10,
on dispose plusieurs capteurs sur le carter 20 de soufflante 10. Ce carter
20 comprend des bossages 50 formés sur sa surface externe et espacés
circonférentiellement les uns des autres. Chaque bossage 50 comprend un
orifice 52 débouchant à l'intérieur du carter 20 dans la veine d'écoulement
du flux d'air et contient un capteur 54 de forme sensiblement cylindrique,
relié par un câble à des moyens de traitement 56. Chaque capteur 54
comprend une embase annulaire 57 à son extrémité radialement externe.
Une cale annulaire 58 est intercalée entre l'embase 57 et la surface externe
du bossage 50. Cette cale 58 assure un réglage du niveau d'insertion du
capteur à l'intérieur de l'orifice. Chaque capteur 54 est inséré depuis
l'extérieur du carter à l'intérieur d'un orifice 52 et l'épaisseur de la cale
58
est telle que la face active du capteur est en retrait à l'intérieur de
l'orifice
52 par rapport au débouché de l'orifice dans la veine d'écoulement d'air. La
couche de matière abradable 40 recouvre la surface interne du carter à
l'exception des débouchés des orifices 52. Une cavité 60 est ainsi formée
entre les extrémités radialement externes des aubes 18 et la face active 62
de chaque capteur 54.
Comme indiqué précédemment, ce type de montage avec des
capteurs cylindriques 54 génère de fortes nuisances sonores du fait du
passage à grande vitesse des aubes en face des cavités 60.
L'invention se propose d'éviter cet inconvénient ainsi que ceux
mentionnés précédemment en remplaçant les capteurs cylindriques par
des capteurs plans 64 et en les recouvrant par une couche de matière
abradable 70 (figure 3).
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Chaque capteur 64 est monté sur la surface interne du carter 66 au
droit des extrémités radialement externes des aubes 18 et est relié par un
câble plat 68 à des moyens de traitement 56 agencés à l'extérieur du carter
66. Le câble 68 chemine sur la surface interne du carter 66 entre la couche
d'abradable 70 et le carter 66 puis traverse le carter par un orifice 72 formé
en amont du bord d'attaque des aubes 18. De cette manière, les orifices 72
de passage des câbles 68 des capteurs 64 sont décalés en amont de la
zone de rotation des aubes 18, ce qui évite la formation de nuisances
sonores du fait du passage à grande vitesse des aubes.
Une fine couche d'abradable est intercalée entre le capteur 64 et la
surface interne du carter 66 de manière à réaliser le collage initial du
capteur 64 sur le carter 66 avant la mise en place de la couche d'abradable
70.
Dans une réalisation pratique de l'invention, les capteurs 64 ont une
forme circulaire et la couche d'abradable 70 recouvrant les capteurs a une
épaisseur comprise entre 5 et 7 millimètres. Le diamètre du capteur 64 est
de l'ordre de 30 millimètres et son épaisseur est inférieure à 1 millimètre et
par exemple comprise entre 0,4 et 0,7 millimètre. Le diamètre de la partie
active 74 du capteur est de l'ordre de 8 à 9 millimètres.
Avantageusement, la soufflante comprend trois capteurs, un premier
étant agencé en position supérieure sur le carter, c'est-à-dire à midi par
rapport au cadran d'une montre, un autre étant agencé en position
inférieure, c'est-à-dire agencé diamétralement à l'opposé du premier
capteur, le troisième étant agencé entre les deux autres capteurs à 90 de
chacun d'eux.
Les capteurs 64 de mesure des jeux en sommets d'aubes sont par
exemple de type capacitif. Le fait de recouvrir le capteur capacitif de
matériau abradable permet d'améliorer la mesure du jeu en sommets
d'aubes par rapport à la technique antérieure du fait que la permittivité de
la
matière abradable est environ deux fois plus grande que celle de l'air. La
matière abradable peut être par exemple une résine obtenue par
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vulcanisation à température ambiante (plus connu sous l'acronyme anglais
de RTV pour Room Temperature Vulcanization ) ou bien du Minnesota
Ec 3524 .
Ce qui a été décrit en référence à une soufflante 10 de turbomachine
s'applique également à toute autre partie d'une turbomachine permettant
l'installation de capteurs 64 de mesure des jeux en sommets d'aubes dans
une couche d'abradable comme décrit précédemment. En particulier,
l'invention est applicable au compresseur basse pression 34 de la figure 1
et qui comprend des couches de matière 48 abradable en regard des
extrémités rad ialement externe des aubes.
Les orifices 72 de passage des câbles 68 des capteurs 64 ont un
diamètre de l'ordre de 3 millimètres, ce qui est très nettement inférieur au
diamètre des orifices 52 de montage des capteurs de la technique
antérieure qui est de l'ordre de 30 millimètres. Les orifices 72 ont donc une
section suffisamment faible pour n'avoir aucun impact sur la tenue
mécanique du carter 66 en fonctionnement.
