Brevet FR2681310A1 — publié le 19930319

La présente invention concerne un dispositif pour la détection du givrage des pales d'un rotor d'aéronef. Le givrage des pales d'un rotor d'un aéronef tel qu'un hélicoptère est un phénomène grave, susceptible de le déstabiliser jusqu'à la perte de contrôle Il est donc important de détecter le givrage suffisamment tôt pour pouvoir mettre en oeuvre les dispositifs de dégivrage. La détection du givrage des pales peut être effectuée aux moyens de capteurs spécifiques installés directement sur ces pales Cette méthode directe présente toutefois l'inconvénient que les capteurs sont exposés à un environnement sévère et qu'il est difficile de transmettre les informations vers les parties fixes de l'appareil. On a également proposé dans le document GB-A-2 046 690 d'utiliser, pour détecter le givrage des pales, le couple transmis au rotor Ce procédé nécessite toutefois un assez grand nombre de calculs, même dans des cas o la précision requise est relativement faible. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour la détection du givrage des pales d'un rotor d'aéronef, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur d'effort de traction et un capteur de couple pour mesurer la force axiale F et le couple M s'exerçant sur l'arbre du rotor, des moyens pour calculer le rapport entre ces deux grandeurs, des moyens pour déterminer, en fonction des conditions de vol, la valeur nominale de ce rapport en l'absence de givrage, et des moyens pour comparer le rapport calculé au rapport nominal. -2 - Le fait d'utiliser comme critère le rapport entre la force axiale et le couple s'exerçant sur l'arbre moteur, permet généralement, comme on le verra ci-après, de simplifier dans une large mesure les calculs tout en conservant une bonne précision. Plus particulièrement, on pourra dans certains cas assimiler les conditions de vol au seul pas des pales. La valeur nominale du rapport précité peut être soit calculée en temps réel en fonction des conditions de vol, soit préalablement mémorisée. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits capteurs sont agencés pour mesurer les efforts s'exerçant dans un tube de torsion disposé entre l'arbre moteur et l'arbre du rotor. Ces capteurs peuvent notamment être logés dans un espace annulaire compris entre le tube de torsion et un tube central. On prévoit avantageusement des transformateurs tournants pour la transmission des signaux de couple et d'effort de traction, constitués d'enroulements en vis à vis montés sur le tube de torsion et sur un stator disposé autour dudit tube. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un hélicoptère comportant un dispositif selon l'invention, -3 - la figure 2 est un schéma par blocs de ce dispositif, et la figure 3 est une vue en coupe axiale des capteurs de ce dispositif. L'hélicoptère de la figure 1 comporte un moteur 1 monté dans sa cellule 2 et muni d'un arbre de sortie 3 Bien entendu, un réducteur (non représenté) est prévu entre le moteur et l'arbre de sortie. L'arbre de sortie 3 forme une butée annulaire 4 coopérant avec une butée 5, solidaire de la cellule 2, pour reprendre l'effort axial exercé par le rotor 6. L'arbre 7 de ce rotor est relié à l'arbre moteur 3 par l'intermédiaire du rotor 8 du capteur qui sera décrit plus en détails ci-après, le stator 9 du capteur étant monté solidaire de la cellule 2 autour du rotor 8. Comme montré à la figure 2, le capteur 8-9 se décompose en fait en un capteur d'effort axial 10 mesurant l'effort exercé longitudinalement dans l'arbre 7 du rotor 6 et un capteur de couple 11 mesurant le couple s'exerçant sur l'arbre 7. Les mesures des capteurs 10 et 11 sont fournies à un calculateur 12 qui détermine s'il y a ou non givrage et dont la sortie 13 peut être reliée par exemple à une alarme dans le poste de pilotage, ou directement à des dispositifs anti-givrage. Si l'on se réfère maintenant à la figure 3, on voit que le rotor 8 du capteur comprend un corps 14 constitué pour l'essentiel d'un tube de torsion dont les extrémités longitudinales forment des brides 15 pour sa -4 - fixation à la partie inférieure de l'arbre de rotor 7, et à la partie supérieure de l'arbre moteur 3. Les efforts sont ainsi transmis entre l'arbre de rotor 7 et l'arbre moteur 3 par l'intermédiaire du tube de torsion Sous l'action du couple à mesurer M, le tube subit une déformation de torsion, et sous l'action des efforts de traction à mesurer F, le tube subit un allongement. A l'intérieur du tube de torsion 14 est disposé le capteur capacitif Il de microdéplacements permettant la mesure des déformations de torsion Un capteur convenant à cette mesure est par exemple décrit dans la demande de brevet français No 89 04402 et ne sera donc pas décrit ici plus en détails. Connaissant les caractéristiques géométriques et mécaniques du tube de torsion 14, on déduit immédiatement le couple transmis des déformations de torsion. Le capteur d'allongement 10 est également disposé à l'intérieur du tube de torsion 8. Ce capteur est constitué pour l'essentiel d'une tige élastique 18 rigidement fixée à ses deux extrémités longitudinales sur les deux brides 15 du tube de torsion, de manière à subir le même allongement que ce dernier Les contraintes ainsi générées dans la tige 18 sont mesurées au moyen d'un pont de jauge de contraintes 19 déposé sur la poutre Les jauges peuvent notamment être réalisées en couche mince métallique du fait de la grande fidélité et des faibles dérives de cette technologie Un montage judicieux des jauges 19 permet d'obtenir une mesure de l'allongement indépendante de la torsion. On voit également sur la figure 3, trois transformateurs tournants 20, formés chacun de deux circuits magnétiques 21 et de deux enroulements 22, l'un des circuits magnétiques et l'un des enroulements étant montés sur le corps du stator 9 en vis à vis de l'autre circuit magnétique et de l'autre enroulement monté sur le rotor 8. L'un des transformateurs permet la transmission d'une alimentation électrique au rotor 8 du capteur, le deuxième permet la transmission des informations de mesure du couple et le troisième permet la transmission des informations de mesure de l'effort de traction. On voit également sur la figure 3 que le dispositif de mesure n'utilise pas l'espace central avoisinant l'axe du rotor Il est ainsi possible de laisser libre cet espace sur toute la longueur du capteur. Un tube central 23 et un couvercle 24 permettent d'isoler les éléments de mesure de l'environnement extérieur. Cet agencement est particulièrement intéressant dans les hélicoptères présentant un arbre de rotor creux, la partie centrale étant utilisée pour la transmission de commandes annexes vers le rotor, par exemple de commandes du pas des pales Le dispositif de l'invention permet donc la transmission de ces commandes. Enfin, l'espace annulaire 25 restant encore libre entre le tube de torsion 14 et le tube de fermeture 23 peut -6- être utilisé pour l'installation des circuits électriques d'alimentation et de traitement. On sait que les efforts aérodynamiques F et M générés sur l'arbre rotor 7 par la rotation des pales, sont essentiellement fonction des paramètres suivants: la géométrie des pales et en particulier leur profil, le pas des pales p et leur vitesse de rotation 0- la masse volumique de l'air y, et la vitesse de l'hélicoptère par rapport à l'air v. En l'absence de givrage des pales, le rapport M/F est une fonction de ces paramètres soit: M/F = f (p fl, v) que l'on peut calculer ou déterminer expérimentalement et mémoriser. La formation d'un dépôt de givre sur les pales dégrade rapidement leur profil aérodynamique et se traduit, toutes choses égales par ailleurs, par une augmentation du couple résistant dû à un supplément de traînée des pales et par une diminution de la portance, c'est-à-dire finalement par une augmentation du rapport M/F. La comparaison entre les valeurs du rapport M/F obtenues: d'une part, à partir du calcul de la fonction f (Pl JL,5, v) -7- d'autre part, à partir des valeurs de M et F mesurées par le capteur d'effort décrit précédement, permet de déterminer s'il y a ou non givrage des pales. Le calculateur 12 reçoit donc en entrée, d'une part les valeurs de F et M mesurées comme décrit précédemment et, d'autre part, les valeurs de pf, j 5 et v mesurées par des capteurs spécifiques. Le calculateur 12 dispose dans ses mémoires d'un modèle mathématique lui permettant de calculer la valeur de la fonction f (p, C, v, y) et compare cette valeur à celle du rapport M/F qu'il calcule également. L'écart obtenu, au-delà d'un certain seuil d'incertitude lié aux erreurs de mesure des différents capteurs et à la précision du modèle mathématique de calcul de f permet de conclure à un givrage des pales et de le signaler au pilote. L'amplitude de l'écart donne une image de la sévérité du givrage. Il est possible de simplifier ce modèle si l'on remarque que les efforts aérodynamiques sur un profil sont proportionnels au carré de sa vitesse dans l'air (donc à Q 2, le vecteur de vitesse v n'intervenant que comme terme correctif) et à la masse volumique de l'air _ En conséquence, en l'absence de givrage la fonction f (p, r L, S, v) est dans une large mesure indépendante des paramètres 1 et y Le vecteur vitesse v de l'hélicoptère par rapport à l'air n'intervient également qu'à titre de terme correctif sur l'angle d'incidence de chaque élément de -8 - pale, paramètre globalement représenté par le pas des pales p On pourra donc souvent se ramener avec une précision suffisante à une fonction f (p) ne faisant intervenir que le pas des pales p. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus. C'est ainsi que la mesure de l'effort axial pourrait être effectuée non pas sur l'arbre du rotor mais au niveau de la butée 5. De même, la mesure du couple pourrait être effectuée en sortie ou même à l'intérieur du moteur, dans la mesure o les organes mécaniques intermédiaires qui conduisent jusqu'à l'arbre du rotor (réducteur de vitesse, palier, prises de mouvement) n'introduisent pas d'erreurs importantes. De même, le calculateur 12 pourrait ne pas effectuer le calcul de la fonction f mais simplement lire en mémoire les valeurs de cette fonction préalablement mémorisées en fonction des différents paramètres. _ 9 - REVENDICATIONS 1 Dispositif pour la détection du givrage des pales d'un rotor d'aéronef, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur d'effort de traction -( 10) et un capteur de couple ( 11) pour mesurer la force axiale et le couple s'exerçant sur l'arbre du rotor, des moyens ( 12) pour calculer le rapport entre ces deux grandeurs, des moyens ( 12) pour déterminer, en fonction des conditions de vol, la valeur nominale de ce rapport en l'absence de givrage, et des moyens ( 12) pour comparer le rapport calculé au rapport nominal. 2 Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens pour calculer la valeur nominale du rapport en fonction des conditions de vol. 3 Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens pour mémoriser la valeur nominale du rapport en fonction des conditions de vol. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les conditions de vol sont déterminées par le pas des pales. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits capteurs sont agencés pour mesurer les efforts s'exerçant dans un tube de torsion ( 14) disposé entre l'arbre moteur ( 3) et l'arbre ( 7) du rotor. 6 Dispositif selon la revendication 5, dans lequel lesdits capteurs sont logés dans un espace annulaire ( 25) compris entre le tube de torsion et un tube central ( 23). -10- 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications et 6, comprenant des transformateurs tournants ( 20) pour la transmission des signaux de couple et d'effort de traction, constitués d'enroulements en vis à vis montés sur le tube de torsion et sur un stator ( 9) disposé autour dudit tube.