FR3123718A1 - DEVICE FOR DETERMINING THE eigenmodes of a TURBOMACHINE ELEMENT BY EMISSION OF WHITE NOISE AND DEVICE FOR VIBRATIONAL CHARACTERIZATION OF THE ELEMENT - Google Patents

DEVICE FOR DETERMINING THE eigenmodes of a TURBOMACHINE ELEMENT BY EMISSION OF WHITE NOISE AND DEVICE FOR VIBRATIONAL CHARACTERIZATION OF THE ELEMENT Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un dispositif (50) de détermination des modes propres d’un élément (22) de turbomachine comportant des aubes (34), le dispositif comportant : un système (52) de mesure des déformations d’au moins une aube (34) configuré pour délivrer des informations représentatives desdites déformations des aubes, le système de mesure comportant au moins un capteur des déformations (54) agencé sur la au moins une aube;un système de génération (60) configuré pour générer un bruit blanc (62) sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ;une unité de traitement (70) configurée pour déterminer l’évolution des modes propres réels (MPR) de l’aube en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc. Figure pour l'abrégé : Figure 4The invention relates to a device (50) for determining the natural modes of a turbomachine element (22) comprising blades (34), the device comprising: a system (52) for measuring the deformations of at least one blade ( 34) configured to deliver information representative of said deformations of the blades, the measurement system comprising at least one deformation sensor (54) arranged on the at least one blade;a generation system (60) configured to generate white noise (62 ) over an excitation frequency band in the direction of at least one blade equipped with a sensor, the white noise being adapted to bring the blade into resonance;a processing unit (70) configured to determine the evolution real eigenmodes (MPR) of the blade as a function of the excitation frequencies of the white noise from information representative of the deformations of the blade subjected to the white noise. Figure for abstract: Figure 4

Description

DISPOSITIF DE DETERMINATION DES MODES PROPRES D’UN ELEMENT DE TURBOMACHINE PAR EMISSION D’UN BRUIT BLANC ET DISPOSITIF DE CARACTERISATION VIBRATOIRE DE L’ELEMENTDEVICE FOR DETERMINING THE eigenmodes of a TURBOMACHINE ELEMENT BY EMISSION OF WHITE NOISE AND DEVICE FOR VIBRATIONAL CHARACTERIZATION OF THE ELEMENT

Le domaine de la présente invention est celui des moteurs aéronautiques et plus particulièrement celui des turbomachines.The field of the present invention is that of aeronautical engines and more particularly that of turbomachines.

En particulier, l’invention concerne un dispositif et un procédé de détermination des modes propres réels d’une pièce d’un élément de turbomachine par émission d’un bruit blanc, notamment d’une aube d’un élément de turbomachine. L’invention concerne également un dispositif de caractérisation vibratoire d’une pièce d’un élément de turbomachine comprenant un tel dispositif de détermination des modes propres et le procédé de caractérisation vibratoire correspondant.In particular, the invention relates to a device and a method for determining the real natural modes of a part of a turbomachine element by emitting white noise, in particular of a blade of a turbomachine element. The invention also relates to a vibration characterization device for a part of a turbomachine element comprising such a device for determining the eigenmodes and the corresponding vibration characterization method.

De manière classique, une turbomachine d’un aéronef comprend d’amont en aval, dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.Conventionally, a turbomachine of an aircraft comprises, from upstream to downstream, in the direction of gas flow, a fan, a low pressure compressor, a high pressure compressor, an annular combustion chamber, a high pressure turbine and a low pressure turbine.

Les turbines haute pression et basse pression entraînent respectivement les compresseurs haute pression et basse pression par l'intermédiaire d'arbres d'entraînement en prélevant de la puissance sur les gaz en sortie de la chambre de combustion. Chaque turbine récupère en outre une partie de l'énergie issue de la combustion des gaz pour le fonctionnement de la soufflante et des accessoires.The high pressure and low pressure turbines respectively drive the high pressure and low pressure compressors via drive shafts by drawing power from the gases leaving the combustion chamber. Each turbine also recovers part of the energy from gas combustion for the operation of the fan and accessories.

Chacune des turbines de telles machines comprennent typiquement plusieurs étages comportant chacun une rangée annulaire, ou couronne, d'aubes fixes portées par un carter de la turbine et une rangée annulaire d'aubes mobiles montées rotatives autour d'un axe central de rotation. Une couronne d’aubes fixes est également appelée distributeur de turbine tandis qu’une couronne d’aubes mobiles est appelée rotor de turbine.Each of the turbines of such machines typically comprises several stages each comprising an annular row, or crown, of stationary blades carried by a casing of the turbine and an annular row of mobile blades rotatably mounted around a central axis of rotation. A crown of stationary blades is also called a turbine nozzle while a crown of moving blades is called a turbine rotor.

En fonctionnement, les pièces tournantes de la turbomachine, et notamment les pales de la soufflante et les aubes mobiles des turbines, sont soumises, à des degrés divers, à des contraintes importantes, qu’elles soient d’ordre mécanique, thermique ou aérodynamique.In operation, the rotating parts of the turbomachine, and in particular the blades of the fan and the moving blades of the turbines, are subjected, to varying degrees, to significant stresses, whether of a mechanical, thermal or aerodynamic nature.

Ainsi lors du fonctionnement moteur, les pièces peuvent entrer en résonance et se déformer sous l’action de sollicitations internes au moteur tels que des sillages provenant d’obstacles à l’amont dans la veine, du balourd…Thus during engine operation, the parts can enter into resonance and deform under the action of internal engine stresses such as wakes from obstacles upstream in the vein, unbalance, etc.

Ainsi, il est connu lors de la phase de certification de la turbomachine de réaliser sur les aubes mobiles un essai moteur de caractérisation vibratoire, également appelé «stress survey» en anglais, afin d’identifier leurs résonances et de s’assurer que les amplitudes des sollicitations vibratoires qui en résultent restent à des niveaux acceptables.Thus, it is known during the certification phase of the turbomachine to carry out on the moving blades a vibration characterization engine test, also called " stress survey " in English, in order to identify their resonances and to ensure that the amplitudes resulting vibrational stresses remain at acceptable levels.

A cet effet, il est connu d’utiliser un dispositif de caractérisation vibratoire comportant des capteurs positionnés sur les pièces mobiles, telles que les aubes mobiles, par exemple des jauges d’extensométrie. Les capteurs permettent de mesurer les déformations réalisées pendant l’essai sur les pièces. Un tel dispositif permet, pour chaque résonance identifiée, de mesurer sa fréquence, le régime de rotation de la turbomachine où elle apparait, et l’amplitude de déformation associée pour chaque résonance. Cette amplitude de déformation peut être convertie en contrainte mécanique subit par la pièce.To this end, it is known to use a vibration characterization device comprising sensors positioned on the moving parts, such as the moving blades, for example extensometry gauges. The sensors make it possible to measure the deformations produced during the test on the parts. Such a device makes it possible, for each resonance identified, to measure its frequency, the rotational speed of the turbomachine where it appears, and the amplitude of deformation associated with each resonance. This amplitude of deformation can be converted into mechanical stress undergone by the part.

Généralement, ces informations sont reportées dans un diagramme de Campbell, ou diagramme des fréquences d'interférence, qui représente l'évolution des fréquences propres en fonction de la vitesse de rotation de la turbomachine.Generally, this information is reported in a Campbell diagram, or interference frequency diagram, which represents the evolution of the natural frequencies as a function of the speed of rotation of the turbomachine.

En outre, les fréquences des modes propres théoriques, c’est-à-dire calculées par éléments finis, ont été préalablement positionnées dans ce diagramme de Campbell. La illustre un tel exemple de diagramme de Campbell.Moreover, the frequencies of the theoretical clean modes, ie calculated by finite elements, were positioned beforehand in this diagram of Campbell. The illustrates such an example of a Campbell diagram.

Avant les essais, le diagramme de Campbell permet d’appréhender les zones (fréquence/régime) où il risque d’y avoir résonance, c’est-à-dire là où il y a coïncidence entre la fréquence d’une harmonique moteur excitatrice et une des fréquences propres de la pièce. Ces coïncidences correspondent aux points d’intersection entre une harmonique excitatrice du moteur et un des modes propres théoriques de la pièce. Sur l’exemple illustré, dix résonances notées P1 à P10, sont prédites. Les résonances P1 et P2 correspondent aux points d’intersection entre la première harmonique excitatrice HE1 et respectivement le premier mode propre théorique MPT1 et le deuxième mode propre théorique MPT2. Les résonances P3 à P6 correspondent aux points d’intersection entre la deuxième harmonique excitatrice HE2 et respectivement les premier, deuxième, troisième et quatrième modes propres théoriques, notés MPT1, MPT2, MPT3 et MPT4. Les résonances P7 à P10 correspondent aux points d’intersection entre la troisième harmonique excitatrice HE3 et respectivement les premier, deuxième, troisième et quatrième modes propres théoriques.Before the tests, the Campbell diagram makes it possible to apprehend the zones (frequency/rpm) where there is a risk of resonance, i.e. where there is coincidence between the frequency of an exciting motor harmonic and one of the natural frequencies of the part. These coincidences correspond to the points of intersection between an exciting harmonic of the motor and one of the theoretical eigenmodes of the part. In the example shown, ten resonances denoted P1 to P10 are predicted. The resonances P1 and P2 correspond to the points of intersection between the first exciting harmonic HE1 and respectively the first theoretical eigenmode MPT1 and the second theoretical eigenmode MPT2. The resonances P3 to P6 correspond to the points of intersection between the second exciting harmonic HE2 and respectively the first, second, third and fourth theoretical eigenmodes, denoted MPT1, MPT2, MPT3 and MPT4. The resonances P7 to P10 correspond to the points of intersection between the third exciting harmonic HE3 and respectively the first, second, third and fourth theoretical eigenmodes.

Selon l’exemple illustré sur la , quatre réponses vibratoires N1, N2, N3, N4 ont été mesurées pendant l’essai moteur de caractérisation vibratoire.According to the example shown in the , four vibration responses N1, N2, N3, N4 were measured during the engine vibration characterization test.

Après les essais et après avoir reporté ces quatre réponses vibratoires sur le diagramme de Campbell illustré sur la , on constate que trois coïncidences sur les dix identifiées au préalable ont bien répondu. De plus, les réponses vibratoires N1, N2, N3 et N4 sont décalées en fréquence par rapport aux fréquences théoriques des modes propres théoriques. En outre, il est possible de mesurer des réponses vibratoires qui ne semble pas correspondre à une coïncidence avec un mode propre.After the tests and after having deferred these four vibratory answers on the diagram of Campbell illustrated on the , we note that three coincidences out of the ten identified beforehand responded well. Moreover, the vibratory responses N1, N2, N3 and N4 are shifted in frequency compared to the theoretical frequencies of the theoretical eigenmodes. Moreover, it is possible to measure vibrational responses which do not seem to correspond to a coincidence with an eigenmode.

Ainsi, il n’est pas possible de confirmer à quel mode propre correspond chaque réponse vibratoire observée, les modes propres réels n’étant pas visibles sur les mesures.Thus, it is not possible to confirm to which eigenmode each observed vibration response corresponds, the real eigenmodes not being visible on the measurements.

Or, il est impératif d’associer une réponse vibratoire observée au bon mode propre prédit par le calcul par éléments finis pour pouvoir estimer correctement le potentiel vibratoire de l’aubage et ainsi estimer correctement la durée de vie en fatigue vibratoire de la pièce.However, it is imperative to associate an observed vibration response with the correct natural mode predicted by the finite element calculation in order to be able to correctly estimate the vibration potential of the blading and thus correctly estimate the vibration fatigue life of the part.

L’objet de l’invention est de proposer un dispositif et un procédé pour visualiser les modes propres réels et de les corréler avec les modes propres théoriques.The object of the invention is to propose a device and a method for visualizing the real eigenmodes and correlating them with the theoretical eigenmodes.

A cet effet, l’invention concerne un dispositif de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le dispositif comportant :To this end, the invention relates to a device for determining the natural modes of a turbomachine element, the turbomachine element comprising blades, the device comprising:

  • un système de mesure des déformations d’au moins une aube configuré pour délivrer des informations représentatives desdites déformations des aubes, le système de mesure comportant au moins un capteur des déformations agencé sur la au moins une aube;a system for measuring the deformations of at least one blade configured to deliver information representative of said deformations of the blades, the measurement system comprising at least one deformation sensor arranged on the at least one blade;
  • un système de génération configuré pour générer un bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ;a generation system configured to generate white noise on an excitation frequency band in the direction of at least one blade equipped with a sensor, the white noise being adapted to bring the blade into resonance;
  • une unité de traitement configurée pour déterminer l’évolution des modes propres réels de l’aube en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc.a processing unit configured to determine the evolution of the real eigenmodes of the blade as a function of the excitation frequencies of the white noise from the information representative of the deformations of the blade subjected to the white noise.

L’invention permet avantageusement de mettre en résonance volontaire l’aubage de l’élément de turbomachine à un niveau maitrisé, c’est-à-dire sans risque de le faire rompre.The invention advantageously allows voluntary resonance of the blading of the turbomachine element at a controlled level, that is to say without the risk of causing it to break.

En outre, dans la mesure où la puissance est répartie sur toute la bande passante, ce qui est caractéristique d’un bruit blanc, l’invention permet ainsi avantageusement de solliciter l’ensemble des fréquences propres de la pièce, et par conséquent de rendre visible la signature ou trace des modes propres réels sur les mesures pour permettre l’identification des réponses. La trace ou signature des modes propres est l’évolution des fréquences propres des modes propres en fonction du régime de rotation.In addition, insofar as the power is distributed over the entire passband, which is characteristic of white noise, the invention thus advantageously makes it possible to solicit all of the natural frequencies of the part, and consequently to render visible the signature or trace of the real eigenmodes on the measurements to allow the identification of the responses. The trace or signature of the clean modes is the evolution of the clean frequencies of the clean modes according to the mode of rotation.

L’invention permet ainsi de déterminer les modes propres d’un élément de turbomachine et de pouvoir par la suite les visualiser et les corréler avec les modes propres théoriques calculés par éléments finis sur un diagramme de Campbell tel que celui illustré sur la .The invention thus makes it possible to determine the eigenmodes of a turbomachine element and to be able thereafter to visualize them and correlate them with the theoretical eigenmodes calculated by finite elements on a Campbell diagram such as that illustrated on the .

En outre, l’invention permet de déterminer les modes propres d’une pièce d’un élément de turbomachine, telle qu’un aubage, de manière non invasive vis-à-vis de la pièce étudiée. En effet, il n’y a aucun impact physique sur la pièce, ni même sur ces propriétés, dès lors que la puissance de l’excitation est contrôlée.In addition, the invention makes it possible to determine the natural modes of a part of a turbomachine element, such as a blading, in a non-invasive manner with respect to the part studied. Indeed, there is no physical impact on the part, or even on these properties, since the power of the excitation is controlled.

Le dispositif de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres selon toutes les combinaisons techniquement possibles :The device for determining the eigenmodes of a turbomachine element according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other according to all the technically possible combinations:

  • les capteurs du système de mesure des déformations de l’aube comporte au moins une jauge d’extensométrie agencée sur l’aube et des moyens de mesure de la résistance de ladite au moins une jauge d’extensométrie, les moyens de mesure étant configurés pour délivrer les informations représentatives desdites déformations de l’aube soumise au bruit blanc ;the sensors of the blade deformation measurement system comprise at least one extensometry gauge arranged on the blade and means for measuring the resistance of said at least one extensometry gauge, the measuring means being configured to delivering information representative of said deformations of the blade subjected to white noise;
  • le système de génération comporte au moins un haut-parleur agencé et configuré pour émettre une onde acoustique en bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction de l’aube équipée d’un capteur des déformations, l’onde acoustique étant adaptée pour faire entrer l’aube en résonance ;the generation system comprises at least one loudspeaker arranged and configured to emit an acoustic wave in white noise on an excitation frequency band in the direction of the blade equipped with a deformation sensor, the acoustic wave being adapted to bring the dawn into resonance;
  • l’élément de turbomachine comporte des étages, chacun formé de plusieurs aubes et plusieurs aubes d’un même étage sont équipées de capteurs de déformation et plusieurs haut-parleurs sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube équipée d’un capteur de déformation, de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube équipée d’un capteur des déformations ;the turbomachine element comprises stages, each formed of several blades and several blades of the same stage are equipped with deformation sensors and several loudspeakers are positioned, each azimuthally with respect to a blade equipped with a deformation sensor , so as to each emit an acoustic wave in white noise in the direction of a blade equipped with a deformation sensor;
  • au moins deux aubes de deux étages différents sont équipées de capteurs de déformation et plusieurs haut-parleurs sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube de chaque étage équipée d’un capteur de déformation, de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube équipée d’un capteur des déformations ;at least two blades of two different stages are equipped with deformation sensors and several loudspeakers are positioned, each azimuthal with respect to a blade of each stage equipped with a deformation sensor, so as to each emit an acoustic wave in noise white towards a blade equipped with a deformation sensor;
  • chaque aube comporte une pale et chaque haut-parleur est orienté en regard d’une surface de la pale d’une aube équipée de façon à ce que le bruit blanc atteigne une majeure partie de la surface de la pale de l’aube, de préférence toute la surface de la pale de l’aube ;each blade comprises a blade and each loudspeaker is oriented facing a surface of the blade of a blade equipped so that the white noise reaches a major part of the surface of the blade of the blade, preferably the entire surface of the vane blade;
  • l’onde acoustique émise a une puissance différente d’un étage à l’autre de l’élément de turbomachine ;the acoustic wave emitted has a different power from one stage to another of the turbomachine element;
  • l’élément de turbomachine comporte au moins un disque annulaire sur lequel sont fixés des aubes mobiles et chaque haut-parleur est positionné dans un repère mobile lié au disque annulaire, l’élément de turbomachine étant du type rotor de turbine ou rotor de compresseur ou fan ;the turbomachine element comprises at least one annular disc on which moving blades are fixed and each loudspeaker is positioned in a movable frame linked to the annular disc, the turbomachine element being of the turbine rotor or compressor rotor type or fan;
  • les aubes de l’élément de turbomachine sont des aubes fixées à un carter de la turbomachine et chaque haut-parleur est positionné dans un repère fixe lié au carter, l’élément de turbomachine étant du type distributeur de turbine ou redresseur de compresseur ;the blades of the turbomachine element are blades fixed to a casing of the turbomachine and each loudspeaker is positioned in a fixed frame connected to the casing, the turbomachine element being of the turbine distributor or compressor rectifier type;
  • la puissance de l’onde acoustique émise dépend du type de l’élément de turbomachine ;the power of the acoustic wave emitted depends on the type of turbomachine element;
  • le système de génération comporte un moyen de désadaptation de l’écoulement du flux d’air autour du profil des aubes par modification du calage des aubes, la désadaptation étant configurée pour faire entrer l’aube en résonance.the generation system comprises a means of mismatching the flow of the air flow around the profile of the blades by modifying the pitch of the blades, the mismatch being configured to bring the blade into resonance.

L’invention concerne également un procédé de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de :The invention also relates to a method for determining the natural modes of a turbomachine element, the turbomachine element comprising blades, the method comprising the steps of:

  • génération d’un bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur de déformation, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ;generation of white noise on an excitation frequency band in the direction of at least one blade equipped with a deformation sensor, the white noise being adapted to bring the blade into resonance;
  • acquisition et conversion des mesures de déformations de l’aube équipée d’un capteur de déformation et recevant le bruit blanc en informations représentatives des déformations ;acquisition and conversion of blade deformation measurements equipped with a deformation sensor and receiving white noise into information representative of the deformations;
  • détermination de l’évolution des fréquences propres réelles de l’aube recevant le bruit blanc en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc.determination of the evolution of the real natural frequencies of the blade receiving the white noise as a function of the excitation frequencies of the white noise from information representative of the deformations of the blade subjected to the white noise.

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le bruit blanc est généré par l’émission d’une onde acoustique par un haut-parleur en direction de l’aube équipée d’un capteur.According to a preferred embodiment of the invention, the white noise is generated by the emission of an acoustic wave by a loudspeaker in the direction of the blade equipped with a sensor.

Alternativement, le bruit blanc peut être généré par désadaptation de l’écoulement du flux d’air autour du profil des aubes de l’élément de turbomachine par modification de leur calage.Alternatively, white noise can be generated by mismatching the flow of the air flow around the profile of the blades of the turbomachine element by modifying their pitch.

Le procédé de détermination des modes propres est avantageusement mis en œuvre par un dispositif de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine selon l’invention et tel que décrit précédemment.The method for determining the eigenmodes is advantageously implemented by a device for determining the eigenmodes of a turbomachine element according to the invention and as described above.

Un autre objet de l’invention concerne un dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le dispositif comprenant :Another object of the invention relates to a device for vibratory characterization of a turbomachine element, the turbomachine element comprising blades, the device comprising:

  • un système de détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine pendant le fonctionnement de la turbomachine, le système comportant :
    • un système de mesure des déformations d’au moins une aube configuré pour délivrer des premières informations représentatives desdites déformations de l’aube;
    • un moyen d’acquisition de la vitesse de rotation de la turbomachine configuré pour délivrer une deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine ;
    • une unité de traitement configurée pour associer les premières informations représentatives des déformations de l’aube à chaque deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine et déterminer des réponses vibratoires de l’aube à partir des premières et deuxièmes informations ;
    a system for determining the vibratory responses of the turbine engine element during operation of the turbine engine, the system comprising:
    • a system for measuring the deformations of at least one blade configured to deliver first information representative of said deformations of the blade;
    • means for acquiring the speed of rotation of the turbine engine configured to deliver second information representative of the speed of rotation of the turbine engine;
    • a processing unit configured to associate the first information representative of the deformations of the blade with each second information representative of the speed of rotation of the turbomachine and to determine vibratory responses of the blade from the first and second information;
  • un dispositif de détermination des modes propres de l’élément tel que décrit précédemment, le dispositif étant configuré pour déterminer les modes propres réels de l’élément de turbomachine ; eta device for determining the eigenmodes of the element as described above, the device being configured to determine the actual eigenmodes of the turbomachine element; and
  • une unité de traitement configurée pour associer les réponses vibratoires de l’aube mesurées par le système de détermination des réponses vibratoires à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres.a processing unit configured to associate the vibratory responses of the blade measured by the system for determining the vibratory responses with a real eigenmode of the turbomachine element among the real eigenmodes determined by the system for determining eigenmodes.

Avantageusement, le dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine comprend en outre une unité de calculs configurée pour calculer l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine et dans lequel l’unité de traitement est configurée pour corréler les modes propres réels avec les modes propres théoriques.Advantageously, the vibratory characterization device of a turbomachine element further comprises a calculation unit configured to calculate the evolution of the frequencies of the theoretical eigenmodes of the blade as a function of the speed of rotation of the turbomachine and in which the processing unit is configured to correlate the real eigenmodes with the theoretical eigenmodes.

Un tel dispositif de caractérisation selon l’invention permet avantageusement de mesurer la réponse vibratoire d’aubes de l’élément de turbomachine en fonction du régime de rotation de la turbomachine tout en déterminant leurs modes propres réels grâce au dispositif de détermination des modes propres tel que décrit précédemment pendant un essai moteur de caractérisation vibratoire.Such a characterization device according to the invention advantageously makes it possible to measure the vibratory response of blades of the turbomachine element as a function of the rotational speed of the turbomachine while determining their real eigenmodes thanks to the eigenmode determination device such as previously described during an engine vibration characterization test.

En outre, l’invention permet la superposition sur un même diagramme de Campbell des modes propres théoriques et mesurés permettant ainsi de pourvoir recaler les modes propres théoriques.In addition, the invention allows the superposition on the same Campbell diagram of the theoretical and measured eigenmodes thus making it possible to readjust the theoretical eigenmodes.

En outre, l’utilisation du dispositif de détermination des modes propres sur une plage de temps importante, par exemple pendant toute la durée de l’essai, permet d’améliorer la qualité des mesures des modes propres et donc le recalage des modes propres théoriques.In addition, the use of the device for determining the eigenmodes over a significant time range, for example throughout the duration of the test, makes it possible to improve the quality of the eigenmode measurements and therefore the readjustment of the theoretical eigenmodes. .

Ainsi, l’invention permet avantageusement d’identifier à quel mode propre les réponses vibratoires mesurées correspondent de manière fiable permettant d’estimer au plus juste la durée de vie en fatigue vibratoire de la pièce.Thus, the invention advantageously makes it possible to identify to which eigenmode the measured vibration responses correspond in a reliable manner, making it possible to estimate the vibration fatigue life of the part as accurately as possible.

L’invention concerne également un procédé de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de :The invention also relates to a method for vibratory characterization of a turbomachine element, the turbomachine element comprising blades, the method comprising the steps of:

  • mise en résonance d’au moins une aube de l’élément de turbomachine par rotation de la turbomachine, l’aube étant équipée d’un capteur de déformation ;resonance of at least one blade of the turbomachine element by rotation of the turbomachine, the blade being equipped with a deformation sensor;
  • détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine à partir des mesures des déformations de l’aube ;determination of the vibratory responses of the turbomachine element from measurements of the deformations of the blade;
  • détermination des modes propres réels de l’élément de turbomachine selon le procédé décrit précédemment ;determination of the real eigenmodes of the turbomachine element according to the method described above;
  • association des réponses vibratoires de l’aube mesurées à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres.association of the blade vibratory responses measured with a real eigenmode of the turbomachine element among the real eigenmodes determined by the eigenmode determination system.

Avantageusement, le procédé comporte en outre les étapes de :Advantageously, the method further comprises the steps of:

  • calcul de l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine ; etcalculation of the evolution of the frequencies of the theoretical eigenmodes of the blade as a function of the rotational speed of the turbomachine; and
  • corrélation des modes propres réels avec les modes propres théoriques.correlation of the real eigenmodes with the theoretical eigenmodes.

Le procédé de caractérisation vibratoire est avantageusement mis en œuvre par un dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine selon l’invention et tel que décrit précédemment.The vibration characterization method is advantageously implemented by a vibration characterization device of a turbomachine element according to the invention and as described previously.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear during the reading of the detailed description which will follow for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which:

la est une vue schématique en coupe d'une turbomachine, the is a schematic sectional view of a turbomachine,

la est une vue de détail en coupe d'une turbine basse pression de la turbomachine de la comportant quatre étages, the is a detail view in section of a low pressure turbine of the turbomachine of the comprising four floors,

la , déjà décrite, est un diagramme de Campbell illustrant les fréquences théoriques des modes propres et les résonances mesurées lors d’un essai moteur de caractérisation vibratoire selon la technique antérieure, the , already described, is a Campbell diagram illustrating the theoretical frequencies of the eigenmodes and the resonances measured during an engine vibration characterization test according to the prior art,

la est un schéma de principe d’un dispositif de détermination des modes propres selon un mode de réalisation de l’invention; the is a block diagram of a device for determining eigenmodes according to one embodiment of the invention;

la est une vue schématique d’une coupe longitudinale d’une turbine basse pression équipée d’un dispositif de détermination des modes propres selon un mode de réalisation de l’invention; et the is a schematic view of a longitudinal section of a low-pressure turbine equipped with a device for determining the eigenmodes according to one embodiment of the invention; and

la est un diagramme de Campbell avec superposition des modes propres théoriques, des modes propres mesurés et des réponses vibratoires obtenues au cours d’un essai moteur de caractérisation vibratoire. the is a Campbell diagram with the superimposition of the theoretical eigenmodes, the measured eigenmodes and the vibration responses obtained during a vibration characterization engine test.

Claims (16)

Dispositif (50) de détermination des modes propres d’un élément (22) de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes (34), le dispositif comportant :
  • un système (52) de mesure des déformations d’au moins une aube (34) configuré pour délivrer des informations représentatives desdites déformations des aubes, le système de mesure comportant au moins un capteur des déformations (54) agencé sur la au moins une aube;
  • un système de génération (60) configuré pour générer un bruit blanc (62) sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ;
  • une unité de traitement (70) configurée pour déterminer l’évolution des modes propres réels (MPR) de l’aube en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc.
Device (50) for determining the natural modes of a turbomachine element (22), the turbomachine element comprising blades (34), the device comprising:
  • a system (52) for measuring the deformations of at least one blade (34) configured to deliver information representative of said deformations of the blades, the measurement system comprising at least one deformation sensor (54) arranged on the at least one blade ;
  • a generation system (60) configured to generate white noise (62) on an excitation frequency band in the direction of at least one blade equipped with a sensor, the white noise being adapted to cause the blade to enter resonance;
  • a processing unit (70) configured to determine the evolution of the real eigenmodes (MPR) of the blade as a function of the excitation frequencies of the white noise from the information representative of the deformations of the blade subjected to the white noise.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les capteurs (54) du système de mesure (52) des déformations de l’aube (34) comporte au moins une jauge d’extensométrie agencée sur l’aube et des moyens de mesure de la résistance de ladite au moins une jauge d’extensométrie, les moyens de mesure étant configurés pour délivrer les informations représentatives desdites déformations de l’aube soumise au bruit blanc.Device according to Claim 1, in which the sensors (54) of the system (52) for measuring the deformations of the blade (34) comprise at least one extensometry gauge arranged on the blade and means for measuring the resistance of said at least one extensometry gauge, the measuring means being configured to deliver information representative of said deformations of the blade subjected to white noise. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système de génération (60) comporte au moins un haut-parleur (66) agencé et configuré pour émettre une onde acoustique en bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction de l’aube (34) équipée d’un capteur des déformations (54), l’onde acoustique étant adaptée pour faire entrer l’aube en résonance.Device according to Claim 1 or 2, in which the generating system (60) comprises at least one loudspeaker (66) arranged and configured to emit an acoustic wave in white noise on an excitation frequency band in the direction of the blade (34) equipped with a deformation sensor (54), the acoustic wave being adapted to bring the blade into resonance. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l’élément de turbomachine comporte des étages, chacun formé de plusieurs aubes (34) et dans lequel plusieurs aubes (34) d’un même étage sont équipées de capteurs de déformations (54) et plusieurs haut-parleurs (66) sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube équipée d’un capteur de déformation, (54) de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube (34) équipée d’un capteur des déformations (54).Device according to Claim 3, in which the turbomachine element comprises stages, each formed of several vanes (34) and in which several vanes (34) of the same stage are equipped with deformation sensors (54) and several top -speakers (66) are positioned, each azimuthal with respect to a blade equipped with a deformation sensor, (54) so as to each emit an acoustic wave in white noise in the direction of a blade (34) equipped with a deformation sensor (54). Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel au moins deux aubes (34) de deux étages différents sont équipées de capteurs de déformation et plusieurs haut-parleurs (66) sont positionnés, chacun azimutalement par rapport à une aube de chaque étage équipée d’un capteur de déformation (54), de manière à émettre chacun une onde acoustique en bruit blanc en direction d’une aube (34) équipée d’un capteur des déformations (54).Device according to Claim 3 or 4, in which at least two blades (34) of two different stages are equipped with deformation sensors and several loudspeakers (66) are positioned, each azimuthal with respect to a blade of each stage equipped with a deformation sensor (54), so as to each emit an acoustic wave in white noise in the direction of a blade (34) equipped with a deformation sensor (54). Dispositif selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel chaque aube comporte une pale et chaque haut-parleur est orienté en regard d’une surface de la pale d’une aube équipée de façon à ce que le bruit blanc atteigne une majeure partie de la surface de la pale de l’aube, de préférence toute la surface de la pale de l’aube.Device according to one of Claims 3 to 5, in which each blade comprises a blade and each loudspeaker is oriented opposite a surface of the blade of a blade equipped so that the white noise reaches a greater part of the surface of the blade of the blade, preferably the whole surface of the blade of the blade. Dispositif selon l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel l’onde acoustique émise a une puissance différente d’un étage à l’autre de l’élément de turbomachine.Device according to one of Claims 5 or 6, in which the acoustic wave emitted has a different power from one stage to another of the turbomachine element. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’élément de turbomachine comporte au moins un disque annulaire (36) sur lequel sont fixés des aubes mobiles et dans lequel chaque haut-parleur est positionné dans un repère mobile lié au disque annulaire, l’élément de turbomachine étant du type rotor de turbine ou rotor de compresseur ou fan.Device according to any one of Claims 1 to 7, in which the turbine engine element comprises at least one annular disc (36) on which moving blades are fixed and in which each loudspeaker is positioned in a moving reference frame linked to the annular disc, the turbomachine element being of the turbine rotor or compressor rotor or fan type. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les aubes de l’élément de turbomachine sont des aubes fixées à un carter de la turbomachine et dans lequel chaque haut-parleur est positionné dans un repère fixe lié au carter, l’élément de turbomachine étant du type distributeur de turbine ou redresseur de compresseur.Device according to any one of Claims 1 to 7, in which the vanes of the turbomachine element are vanes fixed to a casing of the turbomachine and in which each loudspeaker is positioned in a fixed frame linked to the casing, the the turbomachine element being of the turbine distributor or compressor rectifier type. Dispositif selon la revendication précédente 8 ou 9, dans lequel la puissance de l’onde acoustique émise dépend du type de l’élément de turbomachine.Device according to the preceding claim 8 or 9, in which the power of the acoustic wave emitted depends on the type of the turbomachine element. Dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine comportant des aubes, le dispositif comprenant :
  • un système de détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine pendant le fonctionnement de la turbomachine, le système comportant :
    • un système de mesure des déformations d’au moins une aube configuré pour délivrer des premières informations représentatives desdites déformations de l’aube;
    • un moyen d’acquisition de la vitesse de rotation de la turbomachine configuré pour délivrer une deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine ;
    • une unité de traitement configurée pour associer les premières informations représentatives des déformations de l’aube à chaque deuxième information représentative de la vitesse de rotation de la turbomachine et déterminer des réponses vibratoires de l’aube à partir des premières et deuxièmes informations ;
  • un dispositif de détermination des modes propres de l’élément selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif étant configuré pour déterminer les modes propres réels de l’élément de turbomachine ;
  • une unité de traitement configurée pour associer les réponses vibratoires de l’aube mesurées par le système de détermination des réponses vibratoires à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres.
Device for vibratory characterization of a turbomachine element comprising blades, the device comprising:
  • a system for determining the vibratory responses of the turbine engine element during operation of the turbine engine, the system comprising:
    • a system for measuring the deformations of at least one blade configured to deliver first information representative of said deformations of the blade;
    • means for acquiring the speed of rotation of the turbine engine configured to deliver second information representative of the speed of rotation of the turbine engine;
    • a processing unit configured to associate the first information representative of the deformations of the blade with each second information representative of the speed of rotation of the turbomachine and to determine vibratory responses of the blade from the first and second information;
  • a device for determining the eigenmodes of the element according to any one of the preceding claims, the device being configured to determine the actual eigenmodes of the turbomachine element;
  • a processing unit configured to associate the vibratory responses of the blade measured by the system for determining the vibratory responses with a real eigenmode of the turbomachine element from among the real eigenmodes determined by the system for determining eigenmodes.
Dispositif de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine selon la revendication 11, comprenant une unité de calculs configurée pour calculer l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine et dans lequel l’unité de traitement est configurée pour corréler les modes propres réels avec les modes propres théoriques.Device for vibratory characterization of a turbomachine element according to claim 11, comprising a calculation unit configured to calculate the evolution of the frequencies of the theoretical eigenmodes of the blade as a function of the speed of rotation of the turbomachine and in which the processing unit is configured to correlate the real eigenmodes with the theoretical eigenmodes. Procédé de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de :
  • génération d’un bruit blanc sur une bande de fréquences d’excitation en direction d’au moins une aube équipée d’un capteur de déformation, le bruit blanc étant adapté pour faire entrer l’aube en résonance ;
  • acquisition et conversion des mesures de déformations de l’aube équipée d’un capteur de déformation et recevant le bruit blanc en informations représentatives des déformations ;
  • détermination de l’évolution des fréquences propres réelles de l’aube recevant le bruit blanc en fonction des fréquences d’excitation du bruit blanc à partir des informations représentatives des déformations de l’aube soumise au bruit blanc.
Method for determining the natural modes of a turbomachine element comprising blades, the method comprising the steps of:
  • generation of white noise on an excitation frequency band in the direction of at least one blade equipped with a deformation sensor, the white noise being adapted to bring the blade into resonance;
  • acquisition and conversion of the deformation measurements of the blade equipped with a deformation sensor and receiving the white noise into information representative of the deformations;
  • determination of the evolution of the real natural frequencies of the blade receiving the white noise as a function of the excitation frequencies of the white noise from information representative of the deformations of the blade subjected to the white noise.
Procédé de détermination des modes propres d’un élément de turbomachine selon la revendication 13, dans lequel le bruit blanc est généré par l’émission d’une onde acoustique par un haut-parleur en direction de l’aube équipée d’un capteur.Method for determining the natural modes of a turbomachine element according to claim 13, in which the white noise is generated by the emission of an acoustic wave by a loudspeaker in the direction of the blade equipped with a sensor. Procédé de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine, l’élément de turbomachine comportant des aubes, le procédé comprenant les étapes de :
  • mise en résonance d’au moins une aube de l’élément de turbomachine par rotation de la turbomachine, l’aube étant équipée d’un capteur de déformation ;
  • détermination des réponses vibratoires de l’élément de turbomachine à partir des mesures des déformations de l’aube ;
  • détermination des modes propres réels de l’élément de turbomachine selon la revendication 13 ou 14 ;
  • association des réponses vibratoires de l’aube mesurées à un mode propre réel de l’élément de turbomachine parmi les modes propres réels déterminés par le système de détermination des modes propres.
Method for vibratory characterization of a turbomachine element, the turbomachine element comprising blades, the method comprising the steps of:
  • resonance of at least one blade of the turbomachine element by rotation of the turbomachine, the blade being equipped with a deformation sensor;
  • determination of the vibratory responses of the turbomachine element from the measurements of the deformations of the blade;
  • determination of the real natural modes of the turbomachine element according to claim 13 or 14;
  • association of the vibratory responses of the blade measured with a real eigenmode of the turbomachine element among the real eigenmodes determined by the system for determining eigenmodes.
Procédé de caractérisation vibratoire d’un élément de turbomachine selon la revendication 15, comprenant les étapes de :
  • calcul de l’évolution des fréquences des modes propres théoriques de l’aube en fonction du régime de rotation de la turbomachine ; et
  • corrélation des modes propres réels avec les modes propres théoriques.
Method of vibratory characterization of a turbomachine element according to claim 15, comprising the steps of:
  • calculation of the evolution of the frequencies of the theoretical eigenmodes of the blade as a function of the speed of rotation of the turbomachine; and
  • correlation of the real eigenmodes with the theoretical eigenmodes.
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WO2024125705A1 (en) * 2022-12-15 2024-06-20 MTU Aero Engines AG Method for measuring a component

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