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Title:
SENSOR FOR MEASURING THE PREVAILING TEMPERATURE AT THE OUTLET OF A HELICOPTER TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/055726
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a sensor (1) for measuring the temperature of gases at the outlet of a gas turbine such as a helicopter turbine. This sensor comprises an insulated housing (3) intended to be placed outside the turbine and containing a temperature sensor (17), at least one thermocouple (6A, 6B, 6C) comprising a cold junction (11A, 11B, 11C) mounted in the insulated housing (3) and a hot junction (9A, 9B, 9C) intended to be placed inside the turbine. A connector (2) supported by the insulated housing (3) makes it possible to electrically connect this sensor to a data-acquisition apparatus capable of being placed at a distance from the sensor itself. The connection between cold joints may be made in series or parallel, inside or outside the insulated housing (3). Said sensor may comprise type N thermocouples and sheaths made of Haynes alloy.

Inventors:
VONFELT, Jean-Julien, Camille (7 rue des Lauriers, Ousse, F-64320, FR)
MOUTAUX, Antoine (14 chemin de Laclau, Nay, F-64800, FR)
PINA, José-Alexandre (8 Allée des Pins, Mourenx, F-64150, FR)
Application Number:
FR2015/052672
Publication Date:
April 14, 2016
Filing Date:
October 06, 2015
Export Citation:
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Assignee:
TURBOMECA (F- Bordes, F-64510, FR)
International Classes:
G01K1/02; G01K7/02; G01K13/02
Domestic Patent References:
WO2009002682A12008-12-31
Other References:
"EXACTSENSE Thermocouple - Sensor Provides Accurate, Rapid Response Exhaust Gas Temperature Measurements for Diesel Engine After-Treatment Systems", 2 June 2011 (2011-06-02), XP055170227, Retrieved from the Internet [retrieved on 20150217]
None
Attorney, Agent or Firm:
GUERRE, Fabien (Brevalex, 95 rue d'Amsterdam, Paris Cedex 8, F-75378, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Sonde (1) de mesure de la température de gaz en sortie d'une turbine à gaz, telle qu'une turbine d'hélicoptère, cette sonde comprenant au moins un thermocouple (6A, 6B, 6C) comprenant une soudure chaude (9A, 9B, 9C) destinée à être placé en sortie de turbine, des soudures froides (11A, 11B, 11C) et un capteur thermique (17) pour mesurer la température des soudures froides (11A, 11B, 11C), caractérisée en ce que cette sonde comporte un boîtier isotherme (3) portant un connecteur (2) pour connecter la sonde (1) à un câble de raccordement à un appareillage d'acquisition et de traitement de données, le boîtier isotherme (3) avec son connecteur (2) étant destinés à être placés hors de la turbine, le boîtier isotherme (3) renfermant le capteur thermique (17) et chaque soudure froide (11A, 11B, 11C) de thermocouple.

2. Sonde (1) selon la revendication 1, dans laquelle le boîtier isotherme (3) avec son connecteur (2) est équipé d'une bride (4) de fixation à un support.

3. Sonde selon la revendication 1 ou 2 comprenant plusieurs thermocouples (6A, 6B, 6C) ayant chacun des soudures froides (11A, 11B, 11C) montées dans le boîtier isotherme (3) et une soudure chaude (9A, 9B, 9C) destinée à être placée en sortie de turbine.

4. Sonde (1) selon la revendication 3, comprenant des moyens pour connecter entre elles les soudures froides (11A, 11B, 11C) pour connecter les thermocouples (6A, 6B, 6C) hors du boîtier isotherme (3). 5. Sonde (1) selon la revendication 3, dans laquelle les thermocouples

(6A, 6B, 6C) sont connectés en série dans le boîtier isotherme (3).

6. Sonde (1) selon la revendication 3, dans laquelle les thermocouples (6A, 6B, 6C) sont connectés en parallèle dans le boîtier isotherme (3).

7. Sonde (1) selon les revendications 1 à 6, dans laquelle les thermocouples (6A, 6B, 6C) sont de type N.

8. Sonde (1) selon les revendications 1 à 8, dans laquelle chaque thermocouple comporte une portion recouverte d'une gaine (12A, 12B, 12C) en matériau d'alliage de type Haynes.

9. Turbine à gaz équipée d'une sonde (1) selon l'une des revendicat

Description:
SONDE DE MESURE DE LA TEMPERATURE REGNANT EN SORTIE DE TURBINE

D'HELICOPTERE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne la mesure de la température des gaz de combustion expulsés en sortie d'une turbine à gaz, comme en particulier en sortie d'une turbine d'hélicoptère, cette mesure de température conditionnant directement la régulation en puissance de la turbine.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Compte tenu de la température élevée régnant en sortie de turbine, la mesure de la température des gaz de combustion y est réalisée avec un thermocouple relié à un calculateur dédié.

Ce thermocouple comporte une soudure chaude implantée au niveau de la sortie de turbine, et il est connecté à un calculateur par deux soudures froides intégrées ou reliées à ce calculateur. Ce calculateur intègre ou est relié à un capteur de température absolue, dite température de référence, qui mesure la température des soudures froides.

En pratique, ce thermocouple est de type K, c'est-à-dire qu'il comprend une paire de conducteurs fabriqués respectivement dans les alliages du type commercialisés sous les noms de marques Chromel et Alumel.

Le calculateur d'un tel système mesure ainsi la différence de potentiel électrique existant entre les deux soudures froides du thermocouple, qui reflète selon une loi prédéterminée la différence de température existant entre la soudure chaude et les soudures froides du thermocouple.

La détermination de la température en sortie de turbine est réalisée par ce calculateur. Celui-ci détermine l'écart de température entre la soudure chaude et les soudures froides sur la base de la différence de potentiel et de la loi de variation propre au thermocouple, et la température de référence à partir des données fournies par le capteur de température proche des soudures froids. La température recherchée est ainsi la somme de la température de référence et de l'écart de température mesuré au moyen du thermocouple.

La robustesse de cette mesure peut être améliorée en mettant en œuvre plusieurs thermocouples connectés en parallèle, au lieu d'un seul, ce qui augmente significativement la quantité de câbles nécessaire.

Mais d'une manière générale, un tel système de mesure est coûteux du fait de la grande longueur de câbles dédiés et spécifiques qui sont nécessaires à sa mise en œuvre. En effet, ces câbles doivent avoir leurs conducteurs fabriqués dans des alliages propres aux thermocouples qu'ils constituent. De plus, les parties de câbles exposés à de hautes températures doivent être protégées, par exemple par un gainage en un alliage du type commercialisé sous le nom de marque Nimonic.

Ainsi, la mise en œuvre d'une mesure de température des gaz en sortie de turbine par thermocouple présente un coût important, mais comme cette mesure conditionne directement la régulation de puissance de la turbine, il est indispensable que sa précision reste élevée.

L'invention a ainsi pour objet de proposer une solution pour réduire le coût de mise en œuvre d'une telle mesure de température des gaz en sortie de turbine sans pénaliser la précision de mesure.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention a pour objet une sonde de mesure de la température de gaz en sortie d'une turbine à gaz, telle qu'une turbine d'hélicoptère, cette sonde comprenant un thermocouple comprenant une soudure chaude destinée à être placé en sortie de turbine, des soudures froides et un capteur thermique pour mesurer la température des soudures froides, caractérisée en ce que cette sonde comporte un boîtier isotherme portant un connecteur pour connecter la sonde à un câble de raccordement à un appareillage d'acquisition et de traitement de données, le boîtier isotherme avec son connecteur étant destinés à être placés hors de la turbine, le boîtier isotherme renfermant le capteur thermique et chaque soudure froide de thermocouple. Le boîtier isotherme permet de maintenir les températures du capteur de température et des soudures froides aussi proches que possible, pour obtenir la meilleure précision de mesure possible. L'ensemble peut ainsi être raccordé via son connecteur à un calculateur au moyen d'un câblage traditionnel, c'est-à-dire sans alliage spécifique, tel que par exemple un câble à conducteurs en cuivre.

L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle le boîtier isotherme avec son connecteur est équipé d'une bride de fixation à un support.

L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, comprenant plusieurs thermocouples ayant chacun des soudures froides montées dans le boîtier isotherme et une soudure chaude destinée à être placée en sortie de turbine.

L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, comprenant des moyens pour connecter entre elles les soudures froides pour connecter les thermocouples hors du boîtier isotherme.

L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle les thermocouples sont connectés en série dans le boîtier isotherme.

L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle les thermocouples sont connectés en parallèle dans le boîtier isotherme.

L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle les thermocouples sont de type N.

L'invention a également pour objet une sonde ainsi définie, dans laquelle chaque thermocouple comporte une portion recouverte d'une gaine en matériau d'alliage de type Haynes.

L'invention a également pour objet une turbine à gaz équipée d'une sonde ainsi définie.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 est une vue d'ensemble de la sonde selon l'invention ;

La figure 2 est une vue schématique montrant la sonde selon l'invention avec ses thermocouples connectés en parallèle ; La figure 3 est une vue schématique montrant la sonde selon l'invention avec ses thermocouples connectés en série.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est de constituer une sonde thermique comportant les thermocouples et leurs soudures froides ainsi qu'un capteur de température des soudures froides, pour raccorder cette sonde à un calculateur distant au moyen de câbles normaux, comportant par exemple des conducteurs en cuivre. Comme visible dans la figure 1, la sonde thermique 1 selon l'invention comprend un connecteur 2 et un boîtier isotherme 3 montés de part et d'autre d'une bride double 4, avec trois thermocouples 6A, 6B, 6C raccordés à ce boîtier isotherme 3.

Le connecteur 2 est ici un connecteur étanche, par exemple du type

EN2997, comportant dans sa région intérieure des fiches de cuivre non visibles. Ce connecteur forme avec la bride double 4 et le boîtier isotherme 3 un ensemble rigide prévu pour être fixé à un support approprié, grâce à la bride 4 comportant deux perçages latéraux

7 et 8 prévus pour être traversés par deux vis de fixation.

Le thermocouple 6A comporte une soudure dite chaude 9A correspondant à son extrémité libre, et destinée à être placée en sortie de turbine pour mesurer la température des gaz de combustion. L'extrémité opposée de ce thermocouple, repérée par 11A, comporte deux soudures froides et est raccordée dans le boîtier isotherme 3.

Ce thermocouple 6A comporte une gaine généralement tubulaire 12A renfermant deux conducteurs non visibles qui sont raccordés l'un à l'autre au niveau de son extrémité libre pour former la soudure chaude destinée à être située en sortie de turbine.

Cette gaine qui est thermiquement isolante est avantageusement fabriquée dans un alliage de type commercialisé sous le nom de marque Haynes, c'est-à- dire offrant une tenue au fluage améliorée, en particulier en comparaison avec un alliage du type commercialisé sous le nom de marque Nimonic habituellement utilisé pour gainer ce type de thermocouple.

La moitié de la gaine 12A qui est éloignée du boîtier 3 est équipée d'un fourreau 13A comportant une enveloppe tubulaire 14A terminée par une bride 16A. Cette bride 16A comporte elle aussi deux trous destinés à être traversés par des vis de fixation à un support approprié situé au niveau de la sortie de turbine.

Lorsque la sonde 1 est en place, l'extrémité libre 9A est engagée dans une ouverture appropriée du carter de sortie de turbine, et la bride 16A est plaquée et fixée au carter en question. La sonde est alors raccordée à un appareillage d'acquisition et de traitement de données par l'intermédiaire de son connecteur 2.

Les thermocouples 6B et 6C sont identiques au thermocouple 6A, et leurs éléments constitutifs portent dans les figures des références débutant par les mêmes chiffres mais suivis respectivement de la lettre B ou C au lieu de la lettre A.

Complémentairement, le boîtier 3 renferme un capteur thermique, repéré par 17, pour mesurer la température des soudures froides. Ce capteur qui est ici un thermomètre à résistance de platine de type PT100 ou PTIOOO, est lui aussi raccordé aux fiches du connecteur 2. Ainsi, les soudures froides des trois thermocouples et le capteur 17 sont raccordés aux fiches du connecteur 2.

Les thermocouples sont avantageusement des thermocouples de type N car ils présentent une meilleure tenue dans le temps en termes de dérive. Ceci permet de conserver une meilleure performance du moteur dans le temps du fait que la mesure des gaz en sortie de turbine conditionne directement la régulation de puissance du moteur. Cela étant, l'invention s'applique aussi bien à des thermocouples de tout autre type comme en particulier K, I, E ou J.

Un thermocouple de type N comprend une paire de conducteurs fabriqués respectivement dans les alliages correspondant à ceux commercialisés sous les noms de marques Nicrosil et Nisil.

Comme représenté dans les figures 2 et 3, les trois thermocouples peuvent être connectés les uns aux autres en parallèle, comme c'est le cas dans l'exemple de la figure 2, ou bien en série, ce qui correspond au cas de la figure 3. La configuration en parallèle ou en série des trois thermocouples est réalisée soit hors du boîtier isotherme, par exemple dans le harnais, c'est-à-dire le faisceau de câbles, qui est relié au connecteur 2, soit dans le boîtier isotherme lui-même, soit dans un boîtier intermédiaire non représenté.

La configuration parallèle ou série peut ainsi être réalisée au choix par l'exploitant en fonction de ses conditions de fonctionnement, tout en permettant à un opérateur de maintenance de pouvoir tester isolément les différents thermocouples.

D'une manière générale, le fait, selon l'invention de prévoir un boîtier isotherme équipé d'un connecteur et renfermant le capteur de température ainsi que les soudures froides permet de placer les soudures froides à relativement faible distance des soudures chaudes. En pratique, le connecteur avec son boîtier renfermant les soudures froides et le capteur sont simplement placés au voisinage de la turbine alors que les soudures chaudes sont placées en sortie de turbine.

Le boîtier isotherme permet de garantir que la température mesurée par le capteur de température est la même que la température des soudures froides pour obtenir une précision de mesure appropriée avec les thermocouples.

Le fait de déporter la soudure froide au niveau du connecteur permet de limiter les longueurs de câbles en alliages spécifiques pour thermocouples. Cela permet aussi de supprimer les broches de connecteur en alliage spécifique.

La mise en œuvre de thermocouples revêtus d'alliage de type Haynes permet d'avoir une meilleure tenue au fluage des thermocouples pour offrir une meilleure fiabilité de mesure dans le temps, et par là même une meilleure performance du moteur dans le temps.

L'utilisation de soudures chaudes de type N permet de réduire les effets du vieillissement sur la précision de mesure. La possibilité de réaliser la mise en parallèle ou en série des soudures froides à l'extérieur du capteur permet la réutilisation du capteur sur différentes applications et d'améliorer les procédures de détection et de localisation de panne.