FR3112190A1

FR3112190A1 - Support de sonde pour turbomachine

Info

Publication number: FR3112190A1
Application number: FR2006992A
Authority: FR
Inventors: Jean-Louis Champion-Reaud; Guillaume François Daniel BIDAN; Jean-Luc Breining; Carlos Mendes; Nicolas ZOULOUMIAN; Pascal CASTERA
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: FR3112190B1

Abstract

L’invention a pour objet un support de sonde (1) comportant une embase mobile (3) comprenant un rail en arc de cercle (7) monté circulairement coulissant dans un bâti (2), un bras radial (4) porté par l’embase mobile (3), une tête (49) portée par le bras radial (4) en étant mobile le long de ce bras radial (4), une tige (8) s’étendant parallèlement au bras radial (4) et traversant l’embase mobile (3) ainsi que le bâti (2), cette tige (8) ayant une extrémité portée par la tête (49) et une extrémité opposée destinée à recevoir une sonde (9). Figure pour abrégé : Figure 1

Description

Support de sonde pour turbomachine

L’invention concerne un support de sonde permettant de positionner et de déplacer de façon précise une sonde dans le flux d’écoulement s’établissent dans une turbomachine en fonctionnement au cours d’un essai, cet écoulement s’établissant typiquement à des valeurs de température et de pression très élevées.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

L’invention concerne la réalisation de mesures avec une sonde placée dans un flux d’écoulement s’établissant dans une turbomachine en fonctionnement, au cours d’un essai visant à déterminer des paramètres de cet écoulement tels que sa température et/ou sa pression, devant être mesurés en différents points de cet écoulement afin de le caractériser.

Les paramètres de l’écoulement mesurés par la sonde peuvent être la pression, la température, ou encore des données concernant la composition chimique de l’écoulement.

Pour réaliser des mesures de l’écoulement en différents points de sa section d’écoulement, la sonde est portée par un support installé hors de l’écoulement afin de ne pas le perturber. Ce support permet de déplacer la sonde de façon pilotée et éventuellement automatisée dans l’environnement hostile que constitue l’écoulement dont la pression peut s’élever à 12 bars, et dont la température peut valoir jusqu’à 1400°K.

Afin de ne pas perturber l’écoulement, il importe d’établir une étanchéité satisfaisante entre le support et la paroi portant ce support et qui délimite l’écoulement, de manière à établir des mesures fiables avec la sonde qui elle est située au sein de l’écoulement.

Les supports utilisés sont le plus souvent des systèmes cartésiens, c’est-à-dire assurant un déplacement de la sonde selon deux axes perpendiculaires, qui n’assurent pas une étanchéité satisfaisante, et qui ne sont pas conçus pour fonctionner dans un environnement sévère.

Le pilotage de la sonde selon un mode cartésien n’est pas adapté à un écoulement de turbomachine qui a lieu dans une veine ayant une forme de révolution : en cas d’erreur de pilotage de la sonde, celle-ci peut heurter une paroi délimitant l’écoulement, et par là-même être détruite.

Dans ce cadre, le but de l’invention est de proposer un support de sonde permettant de remédier aux inconvénients des supports connus.

A cet effet, l’invention a pour objet un support de sonde comportant une embase mobile comprenant un rail en arc de cercle coulissant circulairement dans un bâti, un bras radial porté par l’embase mobile, une tête portée par le bras radial en étant mobile le long de ce bras radial, une tige s’étendant parallèlement au bras radial et traversant l’embase mobile ainsi que le bâti, cette tige ayant une extrémité portée par la tête et une extrémité opposée destinée à porter une sonde.

Cet agencement permet d’obtenir un support dans lequel les déplacements radiaux et circonférentiels de la sonde sont rendus complètement indépendants. Ceci simplifie la manipulation de la sonde en permettant un pilotage précis de cette sonde directement en coordonnées cylindriques, et permet de réduire le risque de collision de cette sonde avec une paroi délimitant l’écoulement dans lequel elle est placée.

L’invention concerne également un support ainsi défini, comprenant une vis sans fin transversale portée par le bâti et entrainée par un moteur transversal, un écrou bloqué en rotation et porté par la vis sans fin transversale, cet écrou comportant un doigt d’entraînement engagé dans une encoche de l’embase mobile pour la déplacer sur actionnement du moteur transversal.

L’invention concerne également un support ainsi défini, comprenant une vis sans fin radiale portée par le bras radial et entrainée par un moteur radial, dans lequel la tête comporte un écrou bloqué en rotation et porté par la vis sans fin radiale, pour déplacer la tête le long du bras radial sur actionnement du moteur radial.

L’invention concerne également un support ainsi défini, dans lequel la tête comporte un corps qui porte un plateau rotatif auquel est rigidement solidarisée la tige, ce corps portant une vis sans fin d’orientation entrainée par moteur d’orientation et engrenée avec une denture périphérique externe du plateau rotatif pour ajuster l’orientation de la tige sur rotation du moteur d’orientation.

L’invention concerne également un support ainsi défini, dans lequel le bâti comporte un socle ayant une face de guidage sur laquelle est en appui une face de glissement du rail en arc de cercle de l’embase mobile, et dans lequel le bâti porte des galets pressant le rail en arc de cercle contre cette face de guidage.

L’invention concerne également un support ainsi défini, dans lequel les galets sont plaqués sur le rail en arc de cercle par des supports intégrant des ressorts.

L’invention concerne également un support ainsi défini, dans lequel la face de guidage comporte une ouverture de passage de la tige qui est entourée par un joint sur lequel est pressée la face de glissement du rail en arc de cercle, et dans lequel l’embase mobile comporte une douille de guidage comprenant un alésage interne traversé par la tige, cet alésage interne étant pourvu d’au moins un joint torique.

L’invention concerne également un support ainsi défini, dans lequel l’alésage de la douille de guidage comporte deux joints toriques, et dans lequel la douille est équipée d’un connecteur pneumatique relié par au moins un canal interne à un espace annulaire qui est délimité par la tige et par l’alésage ainsi que par les joints toriques, afin de pressuriser et/ou ventiler cet espace annulaire.

L’invention concerne également un support ainsi défini, dans lequel le rail en arc de cercle et/ou le socle et/ou la douille de guidage sont refroidis par circulation d’eau.

L’invention concerne également un support ainsi défini, dans lequel la tige est creuse.

est une vue d’ensemble du support selon l’invention ;

est une vue en coupe transversale du bâti du support selon l’invention ;

est une vue en perspective montrant le socle du bâti avec les éléments support ainsi que la vis sans fin transversale et les supports de galets ;

est une vue en perspective du bâti du support selon l’invention ;

est une vue en coupe transversale du bras radial du support selon l’invention ;

est une vue en coupe orthoradiale de la tête d’orientation du support selon l’invention ;

est une vue en coupe transversale de la douille de guidage du support selon l’invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L’INVENTION

Sur la figure 1, un support de sonde 1 comporte un bâti 2, une embase 3 montée coulissante dans ce bâti 2, et un bras radial 4 qui est porté par cette embase 3. L’embase mobile 3 comprend une colonne 6 portée par un rail en arc de cercle 7 coulissant dans le bâti 2, et le bras radial 4 est rigidement solidarisé à la colonne 6 pour être porté par cette embase 3. Ce bras radial 4 porte une extrémité d’une tige 8 qui longe bras 4 et traverse la colonne 6 ainsi que le bâti 2, cette tige 8 portant une sonde 9 à son extrémité libre.

Le rail en arc de cercle 7 coulisse par rapport au bâti fixe 2 en suivant par rapport à ce bâti 2 une trajectoire en arc de cercle dont le centre correspond au centre de l’arc de cercle du rail 7.

La tige 8 est mobile le long du bras radial 4, c’est-à-dire déplaçable en translation selon une direction radiale par rapport au centre de l’arc de cercle du rail 7, en coulissant dans la colonne 6 qu’elle traverse, de sorte que la sonde 9 solidaire de la tige 8 à son extrémité libre est déplaçable radialement par rapport au centre de l’arc de cercle formé par le rail 7.

L’ensemble est destiné à être installé dans une turbomachine pour réaliser avec la sonde des mesures du flux s’écoulant dans une veine de cette turbomachine, la veine et la turbomachine ayant une forme de révolution autour d’un axe central correspondant à l’axe de rotation de ses éléments tournants, c’est-à-dire on axe longitudinal de la turbomachine. La sonde de mesure utilisée est par exemple une sonde de mesure de la température et/ou de la pression.

L’installation consiste ainsi à fixer le bâti 2 dans la turbomachine à une position appropriée pour que le centre de l’arc de cercle du rail 7 coïncide avec l’axe longitudinal, et selon une orientation telle que le déplacement du rail par rapport au bâti s’établisse dans un plan normal à l’axe longitudinal.

Par exemple, le bâti est installé au niveau d’une face externe d’un carter entourant une veine primaire et à travers lequel on a formé une fente en arc de cercle qui est traversée par la tige 8 afin que la sonde 9 soit située au sein du flux primaire, par exemple dans la chambre de combustion, ou bien au niveau de la turbine haute pression de la turbomachine. A titre indicatif, la pression dans un tel environnement peut s’élever jusqu’à 12 bars, et la température peut atteindre 1400°K.

Lorsque le support est installé, un déplacement de l’embase 3 par rapport au bâti 2 induit un déplacement de la sonde selon un arc de cercle centré sur l’axe central de la turbomachine. Un déplacement de la sonde 9 le long du bras 4 qui la porte correspond à un déplacement radial de la sonde par rapport à l’axe central.

Bâti

Le bâti 2 a une forme externe généralement parallélépipédique intégrant, comme visible sur la figure 2, un socle 11 à contour rectangulaire de cette forme parallélépipédique. Cette base comporte une face de guidage 10 en forme de portion de cylindre, sur laquelle une face de glissement 12 du rail 7 est maintenue en appui par deux galets 13 et 14 pressant une face externe 15 du rail 7, cette face externe 15 étant radialement opposée à sa face de glissement 12.

Comme visible sur la figure 2, le galet 13 est porté par un support 16 intégrant un ressort 17 pour le presser sur la face externe 15 ainsi qu’un écrou 18 pour ajuster la précharge de ce ressort. Le galet 14 est porté par un autre support 19 intégrant un ressort 21 pour le presser sur la face externe 15 ainsi qu’un écrou 22 pour ajuster sa précharge. Les supports 16 et 19 sont portés par le bâti 2 dont fait partie le socle 11.

Le rail 7 comporte des connecteurs hydrauliques 23, 24 situés à chacune de ses extrémités et reliés l’un à l’autre par des canaux internes 25 formés dans l’épaisseur du rail 7 s’étendant entre ses faces 10 et 15. Lorsque l’ensemble est en service, ces deux connecteurs 23 et 24 sont raccordées à des conduits de circulation d’eau pour assurer un refroidissement du rail 7, l’eau étant admise par l’une des connecteurs et refoulée par l’autre après avoir circulé dans les canaux. Dans ce cadre, le rail 7 de l’embase est avantageusement obtenu par fabrication additive afin de permettre la formation de canaux en arc de cercle dans son épaisseur.

Grâce à la face de glissement 12 plaquée sur la face de guidage 10 par les galets 13 et 14, le rail 7 est fermement assujetti à une trajectoire en arc de cercle lorsqu’il est déplacé par rapport au bâti 2.

Comme visible sur la figure 3, la face de guidage 10 porte un joint 26 formé dans une gorge entourant une ouverture principale 27 formée dans cette face de guidage 10. Grâce à ce joint 26, le rail 7 ferme l’ouverture principale 27, pour délimiter dans le socle 11 une cavité 28 communiquant avec une ouverture centrale 29 de la colonne 6, cette cavité étant débouchante grâce à une ouverture formée au niveau de la face du socle 11 qui est opposée à sa face de guidage 10. La tige 8 traverse ainsi l’ensemble du bâti 2 à travers la colonne 6 et la cavité 28. En pratique, les galets 13, 14 pressent le rail 7 pour écraser le joint 26 d’environ un demi-millimètre, afin de garantir un niveau d’étanchéité valable de la jonction.

Complémentairement, le socle 11 est équipé de deux connecteurs hydrauliques, repérés par 31 et 32 sur la figure 4, de raccordement à des conduites de circulation d’eau, ces connecteurs étant reliés l’un à l’autre par des canaux internes du socle, de manière à assurer son refroidissement lorsque l’ensemble est en service.

Le refroidissement par eau du rail et du socle permet d’éviter qu’ils se dilatent ou se contractent sous l’effet des températures élevées. Leurs déformations sont ainsi limitées essentiellement aux efforts mécaniques induits par la pression régnant dans la veine, de sorte que le système de pré-charge du joint 26 par les galets 13 et 14 est efficace quelles que soient les conditions environnementales. Ce refroidissement permet en outre d’utiliser un joint standard tel qu’un joint en perfluoroélastomère (FFKM) pour établir une étanchéité optimale entre la face de guidage du socle et la face de glissement du rail en arc de cercle.

Le socle fixe 11 porte un système de motorisation des déplacements de l’embase 3. Comme visible sur la figure 3, ce système comprend un moteur transversal 33 entrainant une vis sans fin transversale 34 qui sont tous deux portés par le socle 11, et la vis sans fin 34 porte un écrou 36 lié à la colonne 6 pour la déplacer lorsque la vis 34 est mise en rotation.

L’écrou 36 comporte un corps 37 s’apparentant à un chariot par lequel il est bloqué en rotation par rapport au socle 11, et dans lequel est formé un trou taraudé traversé par la vis sans fin 34, de sorte que cet écrou 36 est apte à se translater par rapport au socle 11 le long de la vis qui le porte.

Comme visible sur la figure 4, la vis sans fin et l’écrou qu’elle porte sont situés sensiblement à hauteur de la colonne 6 le long de la direction radiale. Le corps 37 de l’écrou porte un doigt orienté parallèlement à l’axe longitudinal et dont l’extrémité est engagée dans une encoche 38 formée dans la colonne 6, cette encoche 38 s’étendant le long de la colonne 6, c’est-à-dire selon la direction radiale.

Lorsque la vis sans fin 34 est mise en rotation par le moteur 33, elle provoque une translation de l’écrou 36 par rapport au socle qui entraîne en déplacement l’embase 3 par l’intermédiaire du doigt engagé dans l’encoche 38. Le fait que l’embase 3 est assujettie à une trajectoire en arc de cercle par rapport au socle alors que l’écrou 36 est assujetti à une trajectoire rectiligne est compensé par la mobilité du doigt d’entrainement le long de l’encoche 38.

Dans l’exemple des figures, le moteur 33 est de type «brushless», et il entraîne directement la vis sans fin 34, c’est-à-dire sans réducteur mécanique. Complémentairement, le corps 37 de l’écrou 36 porte également un capteur de position 39 longeant une bande codée 41 portée par le socle, pour déterminer la position effective de l’écrou 36 le long du bâti 2, afin de piloter le moteur 33 de manière asservie pour bénéficier d’une précision de positionnement optimale.

Bras radial

Le bras 4 comporte une platine 42 par laquelle il est fixé à une bride terminale de la colonne 6, et cette platine 42 comporte une portion en déport par rapport à la colonne 6, cette portion déportée supporte un fourreau 43 s’étendant radialement et un moteur radial 44 d’entrainement d’une vis sans fin radiale 46 logée dans le fourreau 43.

Le fourreau 43 comporte une ouverture 47 s’étendant sur toute sa hauteur, et la vis 46 porte un écrou 48 qui est bloqué en rotation par rapport au fourreau, de sorte qu’il est déplacé en translation le long du fourreau lorsque la vis est entraînée en rotation par le moteur 44.

L’écrou 48 fait partie d’une tête d’orientation 49 portant une extrémité de la tige 8. Comme visible sur la figure 1, cette tête d’orientation 49 comprend un corps 51 rigidement solidaire de l’écrou 48, qui porte un plateau rotatif 52, apte à pivoter autour d’un axe parallèle à la vis 46, et auquel est fixée l’extrémité de la tige 8 qui est opposée à son extrémité portant la sonde 9.

Complémentairement le corps 51 porte un moteur d’orientation 53 prolongé par une vis sans fin d’orientation 54 qu’il entraine, et cette vis sans fin 54 est engrenée dans une denture périphérique externe du plateau 52. Ainsi lorsque le moteur 53 est actionné, il permet de faire tourner la tige 8 sur elle-même de manière à modifier ou ajuster l’orientation de la sonde 9 que cette tige porte.

Comme visible sur la figure 1, le moteur s’étend selon une direction perpendiculaire au fourreau 43, en étant légèrement décalé par rapport à celui-ci, alors que le plateau rotatif 52 est situé en regard de la colonne 6 selon la direction radiale.

D’une manière générale, la tête d’orientation est agencée pour permettre d’ajuster l’orientation de la sonde sur une amplitude angulaire de +/- 90° par rapport à une position centrale de référence. Complémentairement, la tête d’orientation est équipée d’un potentiomètre rotatif permettant de connaître de manière précise l’orientation courante de la sonde.

Douille de guidage

La platine 42 porte une douille de guidage 56, située en vis-à-vis de la colonne 6, et qui est traversée par la tige 8 de façon étanche, attendu qu’elle est soumise du côté de la colonne 6 à la pression élevée de la veine de la turbomachine, et qu’elle est soumise du côté opposé à la pression ambiante.

Pour ce faire, cette douille 56 comporte un alésage interne 57 d’un diamètre sensiblement supérieur au diamètre de la tige 8, et qui comporte à ses extrémités deux gorges circonférentielles internes dans lesquelles sont logés respectivement un joint torique supérieur 58 et un joint torique inférieur 59. Compte tenu de la température élevée de la tige 8, résultant de la température élevée régnant dans la veine dans laquelle cette tige baigne en partie, la douille est refroidie de manière à refroidir la tige afin que son diamètre n’augmente pas trop fortement par rapport au diamètre de l’alésage 57 et que les joints 58 et 59 soient maintenus à basse température.

Cette douille 56 est équipée de deux connecteurs hydrauliques 61 et 62 de raccordement à des conduites d’un circuit de refroidissement, et elle comporte des conduits internes reliant ces deux connecteurs l’un à l’autre. Lorsque l’ensemble est en service, la douille 56 est ainsi traversée par un flux d’eau de refroidissement pour maintenir la tige 8 à une température suffisamment basse, ce qui permet d’assurer une étanchéité valable au niveau de la traversée de la douille 56 par la tige 8, sans que la tige ne soit au contact de l’eau de refroidissement. Grâce à ce refroidissement, il est possible d’obtenir une étanchéité optimale avec des joints toriques standards tels que de joints toriques de type FFKM.

Comme visible sur la figure 7, la tige 8 est séparée de la paroi interne de l’alésage 57 par un espace annulaire 63, qui est pressurisé par l’intermédiaire d’un canal interne 64 relié à un connecteur pneumatique 66 équipant la douille 56. L’espace annulaire 63 est pressurisé à une pression correspondant sensiblement à la pression régnant dans l’environnement de la sonde 9, de sorte que le joint torique inférieur 59 est soumis à une température élevée, mais il ne supporte pas un l’écart entre la pression ambiante et la pression régnant autour de la sonde 9, de manière à améliorer sa longévité. Autrement dit, la pressurisation de l’espace 63 assure que le joint inférieur ne subit pas un écart de pression important, en plus de la température élevée à laquelle il est soumis. L’air qui alimente l’espace 63 pour le pressuriser est avantageusement évacué par un canal non visible sur les figures, ce qui permet d’assurer une alimentation en air frais permettant en outre de refroidir l’espace 63.

D’une manière générale, l’actionnement du moteur transversal 33 porté par le bâti 2 permet de déplacer la sonde 9 selon un arc de cercle centré sur de l’axe de la turbomachine, l’actionnement du moteur radial 44 permet de déplacer la sonde 9 radialement par rapport à l’axe de la turbomachine, et l’actionnement du moteur d’orientation 53 permet de faire pivoter la sonde autour de son axe radial pour ajuster son orientation.

D’une manière générale, chaque ensemble formé par un moteur et la vis sans fin qu’il entraine est équipé d’un codeur absolu, ce qui permet d’assurer un pilotage asservi pour pouvoir positionner de façon précise et robuste la sonde à la position souhaitée.

Autrement dit, l’invention permet ainsi de déplacer la sonde directement selon des coordonnées cylindriques, de façon précise, et de l’orienter au besoin alors qu’elle est confrontée aux conditions sévères de température et de pression du flux dans lequel elle baigne.

Comme indiqué plus haut, la sonde 9 est portée par une tige 8, et cette tige est avantageusement creuse, de façon à pouvoir contenir des fils raccordés à la sonde 9 afin de récupérer les données de cette sonde et éventuellement de l’alimenter électriquement.

Le support qui a été décrit est avantageusement raccordé à une armoire de pilotage permettant de commander les moteurs de façon asservie pour ajuster la position de la sonde et de récupérer les données collectées par la sonde au cours d’un essai.

Claims

Support de sonde (1) comportant une embase mobile (3) comprenant un rail en arc de cercle (7) coulissant circulairement dans un bâti (2), un bras radial (4) porté par l’embase mobile (3), une tête (49) portée par le bras radial (4) en étant mobile le long de ce bras radial (4), une tige (8) s’étendant parallèlement au bras radial (4) et traversant l’embase mobile (3) ainsi que le bâti (2), cette tige (8) ayant une extrémité portée par la tête (49) et une extrémité opposée destinée à porter une sonde (9).
Support selon la revendication 1, comprenant une vis sans fin transversale (34) portée par le bâti et entrainée par un moteur transversal (33), un écrou (36) bloqué en rotation et porté par la vis sans fin transversale (34), cet écrou (36) comportant un doigt d’entraînement engagé dans une encoche (38) de l’embase mobile (3) pour la déplacer sur actionnement du moteur transversal (33).
Support selon la revendication 1, comprenant une vis sans fin radiale (46) portée par le bras radial (4) et entrainée par un moteur radial (44), dans lequel la tête (49) comporte un écrou (48) bloqué en rotation et porté par la vis sans fin radiale (46), pour déplacer la tête (49) le long du bras radial (4) sur actionnement du moteur radial (44).
Support selon la revendication 1, dans lequel la tête (49) comporte un corps (51) qui porte un plateau rotatif (52) auquel est rigidement solidarisée la tige (8), ce corps (51) portant une vis sans fin d’orientation (54) entrainée par moteur d’orientation (53) et engrenée avec une denture périphérique externe du plateau rotatif (52) pour ajuster l’orientation de la tige (8) sur rotation du moteur d’orientation (53).
Support selon la revendication 1, dans lequel le bâti comporte un socle (11) ayant une face de guidage (10) sur laquelle est en appui une face de glissement (12) du rail en arc de cercle (7) de l’embase mobile (3), et dans lequel le bâti (2) porte des galets (13, 14) pressant le rail en arc de cercle (7) contre cette face de guidage (10).
Support selon la revendication 5, dans lequel les galets (13, 14) sont plaqués sur le rail en arc de cercle (7) par des supports (16, 19) intégrant des ressorts (17, 21).
Support selon la revendication 5, dans lequel la face de guidage (10) comporte une ouverture (27) de passage de la tige (8) qui est entourée par un joint (26) sur lequel est pressée la face de glissement (12) du rail en arc de cercle (7), et dans lequel l’embase mobile (3) comporte une douille de guidage (56) comprenant un alésage interne (57) traversé par la tige (8), cet alésage interne (57) étant pourvu d’au moins un joint torique (58, 59).
Support selon la revendication 7, dans lequel l’alésage (57) de la douille de guidage (56) comporte deux joints toriques (58, 59), et dans lequel la douille (56) est équipée d’un connecteur pneumatique (66) relié par au moins un canal interne (64) à un espace annulaire (63) qui est délimité par la tige (8) et par l’alésage (57) ainsi que par les joints toriques (58, 59), afin de pressuriser et/ou ventiler cet espace annulaire (63).
Support selon la revendication 5 ou 7, dans lequel le rail en arc de cercle (7) et/ou le socle (11) et/ou la douille de guidage (56) sont refroidis par circulation d’eau.
Support selon la revendication 1, dans lequel la tige (8) est creuse.