EXEMPLES D'APPLICATIONS SUR MOTEUR D'AVION DE LA MESURE DE TEMPÉRATURE PAR THERMOGRAPHIE

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1 Thermogram EXEMPLES D'APPLICATIONS SUR MOTEUR D'AVION DE LA MESURE DE TEMPÉRATURE PAR THERMOGRAPHIE Frédéric RAVET (1), Anne THENAISIE (2) (1) Chef du service développement des procédés d instrumentation à Snecma Moteurs Frederic.ravet@snecma.fr (2) Chef du département instrumentation à Snecma Moteurs anne.thenaisie@snecma.fr Résumé. Ce document présente les applications de la mesure de température par rayonnement infrarouge dans le cadre des moteurs d avion. Les principales applications identifiées sont la mesure de température des carters afin de déterminer la distorsion induite, la mesure de température des aubes d une turbine afin de déterminer l efficacité de refroidissement dans des conditions représentatives d un fonctionnement moteur et enfin la mesure de température des canalisations de carburant pour mesurer les risques de rupture suite à un échauffement trop important.

2 Thermogram CONTEXTE La thermographie est employée à Snecma Moteurs pour trois applications majeures : La mesure de la distorsion thermique vue par les carters moteurs La mesure de l hétérogénéité thermique induite par le refroidissement inter aube des aubes de turbines La surveillance des canalisations carburant Le carter des moteurs d avion est soumis à un ensemble de flux qu il convient de réguler au mieux afin de garantir au carter une homogénéité presque parfaite de température. En effet, il s agit moins de durée de vie (les carters étant généralement des pièces qui vieillissent bien comparativement à d autres pièces comme les pièces tournantes) que de performances même du moteur. Une distorsion thermique induit une distorsion mécanique risquant de modifier la géométrie de la veine d écoulement de l air principal, et donc de fait, d impacter le rendement aérothermique du moteur. La mesure de la température se fait par thermographie. On fait appel, suivant les cas, à un revêtement de peinture du carter, ceci afin d augmenter et d uniformiser l émissivité des pièces. Les aubes de turbine sont refroidies par circulation interne d air. Les circuits de refroidissement sont complexes et leur réalisation est très difficile. Afin de vérifier l efficacité du refroidissement, enjeu majeur en terme de durée de vie des pièces, les aubes de turbine sont soumises à un champ thermique représentatif. Les gradients de température résultant sont alors visualisés par thermographie. C est une application de contrôle non destructif et non de mesure. Enfin, la dernière application majeure est la surveillance de la température des canalisations de carburant. En effet, ces pièces sont souvent proches des carters chauds de la machine, carters de la chambre de combustion, et requièrent un refroidissement particulier que le carburant seul ne peut assurer. Cette application nécessite une attention spécifique car une élévation trop importante de la température des canalisations entraînerait une obstruction de ces dernières par pollution issue du carbone présent dans le carburant, et, dans un second temps, une rupture de canalisation. Ces trois application illustrent l importance de la thermographie dans le cadre de la mise au point d un moteur d avion. Les pièces candidates sont de tailles géométriques très différentes. Les motivations restent de connaître le niveau de température avec des objectifs très divers : les performances de la machine, la durée de vie des pièces sensibles ou la sûreté de fonctionnement. 2. CARTER MOTEUR La mesure de la température des pièces sur moteurs d avion mobilise une grande partie des moyens. Cette mesure emploie des moyens très divers générant des données sensiblement différentes : le thermocouple produit une mesure ponctuelle, des peintures dont la pigmentation évolue avec la température produit une mesure maximale sur une large zone, la mesure par rayonnement infrarouge produit une mesure de température continue quelque soient les conditions de fonctionnement. Chacune de ces techniques présente ses avantages et ses inconvénients : le thermocouple est une mesure intrusive qui peut se positionner à peu près à tous les endroits du moteur, les peintures présentent l avantage d une mesure continue quelque soient les pièces du moteur mais vieillissent mal et la mesure par rayonnement ou thermographie est une mesure précise mais qui requiert de préserver des espaces de visibilité ou de penser des dispositifs spécifiques pour capter le signal comme les pyromètres.

3 Thermogram Figure 1 - Moteur CFM La principale difficulté dans la mesure de température par thermographie infrarouge est de connaître l émissivité propre des pièces. Cette donnée dépend fortement entre autre du facteur géométrique de la pièce, du matériau, du niveau de pollution surfacique et du niveau de pollution de l air. Cette difficulté rend l opération d étalonnage particulièrement complexe. Pour ce faire, nous procédons en plusieurs étapes. La première étape consiste à étalonner le récepteur. Nous visons alors un corps noir, donc d une émissivité de un plongé dans un champ thermique connu. La deuxième étape consiste à faire une opération similaire en utilisant une pièce en matériau identique et ajuster l émissivité afin de retrouver la bonne température. La prise en compte des facteurs de forme et du rayonnement parasite induit ou de la pollution surfacique et de l absorption générée relève d une longue expérience et d un savoir faire particulier. Les applications de cette technique sont nombreuses mais trois particulières reviennent souvent : la mesure de la température des carters externes, la mesure de l efficacité du refroidissement des aubes de turbine et la mesure de la température des canalisations de carburant. L écoulement du flux autour des carters permet de limiter les hétérogénéités de température afin d éviter une distorsion qui serait préjudiciable pour le rotor de la machine. En effet, nous imaginons bien que dans le cas d une distorsion importante, nous risquons soit un contact du rotor avec le carter avec des risques d endommagement, soit une ouverture importante des jeux entre le rotor et le stator occasionnant une perte de rendement des pièces tournantes. Le dispositif mis en place pour mesurer la température des carters en fonctionnement consiste à positionner plusieurs caméra suivant l angle de visée voulue. Ces caméras sont positionnées directement dans le banc et relativement proche de la cible afin d éviter toutes pollutions externes. Les signal est recueilli sur un système de traitement vidéo permettant une analyse en quasi temps réel de l évolution thermique du carter. Ce champ thermique est ensuite couplé lors d une phase de dépouillement à des modèles de distorsion thermique de la pièce permettant ainsi de quantifier le comportement du carter suivant les régimes. Une opération similaire est réalisée pour les pièces d arrière corps des moteurs militaire. Néanmoins, dans ce cas, l objectif n est pas de mesurer la distorsion de la pièce mais de vérifier l efficacité du refroidissement. En effet, en condition de fonctionnement de la post-combustion, ces pièces sont soumises à des sollicitations thermiques très importantes limitant ainsi leur potentiel. Afin de mesurer avec une meilleure précision le niveau thermique atteint par ces pièces, nous prenons la précaution de les recouvrir d une peinture d émissivité de valeur un.

4 Thermogram Arrière corps Figure 2 - Moteur militaire Régime moteur Figure 3 - Mesure de la température arrière-corps par thermographie infrarouge Comme la mesure sur carter, le signal est visualisée en temps réel et la réponse thermique est ainsi quantifiée fonction du régime moteur. 3. AUBES DE TURBINE La seconde application majeure consiste à mesurer l efficacité de refroidissement des aubes de turbine haute pression. En effet, les aubes sont refroidies par circulation d ai interne. L optimisation de cette circulation se fait en optimisant les gradients de température afin que les contraintes thermiques générées compensent pour partie les contraintes mécaniques. Le procédé consiste à alimenter par de l air une aube de turbine témoin et à immerger cette aube dans un environnement thermique représentatif du moteur. L environnement thermique est obtenu par un four spécialement dédié à cette opération. La résultante thermique est ensuite mesurée par

5 Thermogram thermographie infrarouge à l aide d un dispositif mobilisant une caméra et un jeu de miroir, permettant de visualiser l ensemble des faces de l aube simultanément. Les gammes de température ainsi couvertes vont de quelques dizaines de degré Celsius à un peu plus de 1000 C. La rapidité de traitement qu offre la mesure par thermographie infrarouge permet de tester un certain nombre d aube présentant, soit des circuits de refroidissement internes différents, soit des circuits de refroidissement identiques. Dans ce dernier cas, nous nous intéressons à la dispersion de fabrication. Les procédés d obtention de ce type d aubage, refroidis interne, sont particulièrement délicats. Dans ce cas particulier, les différents comparaisons que nous avons pu mener avec des thermocouples témoins montrent que nous obtenons une précision de l ordre du degré. Figure 4 - Mesure de la réponse thermique d aubage par thermographie infrarouge 4. CANALISATION DE CARBURANT La dernière application majeure identifiée est la mesure de la température des canalisations de carburant. En fonctionnement d un moteur sous aile, ces canalisations sont naturellement refroidies par convection de l air induit par la vitesse de l avion. En situation d essais au sol de moteur, cette convection est absente et nécessite d être reproduite au mieux. Pour des raisons techniques, nous nous limitons à induire une convection qui soit justifiée pour des raisons de tenue thermique. Les canalisations de carburant s inscrivent dans ce cadre. Sous l effet de la température et dans le cas d un état quasi statique, le carburant se solidifie obstruant pour partie les canalisations. Ainsi, les canalisations étant elles-mêmes refroidies par la circulation interne du carburant, une diminution du débit interne entraîne une élévation de température de ces pièces pouvant provoquer une rupture. La surveillance des canalisations par caméra infrarouge est la plus adaptée à ce problème. En effet, afin de pouvoir exercer une surveillance efficace, il importe de pouvoir surveiller simultanément l ensemble du comportement thermique, un point chaud étant souvent synonyme de l amorce d une solidification du carburant. Les canalisations carburant étant souvent externes au moteur, l accessibilité permet cette visualisation.

6 Thermogram CONCLUSION Avec ces trois illustrations, nous avons montré combien la place de la thermographie dans notre stratégie de validation technique des moteurs d avion. Ces applications couvrent des pièces aux géométries et aux tailles très variées. La finalité de ces mesures sont aussi très diverses, le soucis de la performance de la machine avec la mesure de température du carter, le soucis de l intégrité mécanique des pièces avec la mesure de température des aubes turbine et le soucis de la sécurité en essais avec la mesure de température des canalisations de carburant. Dans tous les cas, nos préoccupations restent la fiabilité de la mesure, le niveau de précision à atteindre et une mise à disposition rapide des résultats.