Brevet FR2913733A1 — publié le 20080919

Ventilateur avec moyens de suivi d'usure La présente invention concerne un ventilateur du type comportant une structure de support, une roue portée par un arbre accouplé à un moteur d'entraînement et au moins un roulement à billes interposé entre l'arbre et la structure de support, la stuc- ture de support comprenant un conduit externe renfermant un bulbe qui présente un châssis de support du moteur d'entraînement et de la roue, le conduit externe et le bulbe délimitant une veine annulaire de circulation de l'air mis en mouvement par la roue, le ventilateur comportant des moyens de suivi du vieillissement des roulements. Les circuits de ventilation des avions incorporent des ventilateurs pour assurer la circulation de l'air dans les gaines de ventilation. Ces ventilateurs tournent à une vitesse élevée et doivent être d'une grande fiabilité. Pour satisfaire à ces exigences, l'arbre supportant la roue du ventilateur est porté par deux roulements à billes. Ces roulements sont graissés pour éviter leur échauffement et leur destruction rapide. La rupture d'un tel ventilateur peut être extrêmement dommageable pour l'avion dans lequel il est implanté, puisqu'il assure la ventilation des passagers. Ainsi, ce ventilateur fait l'objet d'un programme de maintenance très rigoureux, impliquant des contrôles réguliers et des changements fréquents des pièces d'usure, et notamment des roulements à billes, avant que ceux-ci ne puissent être totalement endommagés. Un tel programme de maintenance et un remplacement prématuré des pièces d'usure s'avèrent coûteux pour l'exploitation de l'avion. WO-03/020582 décrit un dispositif de suivi de la détérioration d'un ventilateur comportant un capteur rapporté sur la structure externe du ventilateur. Ce dispositif permet la détection d'un dysfonctionnement du ventilateur et notamment les chocs ré-pétés des pales du ventilateur avec le conduit externe du ventilateur, ces chocs risquant de conduire à la production d'odeurs ou de fumées. Ce dispositif ne permet que de détecter les pannes du ventilateur et ne permet pas de prévenir les pannes avant qu'elles ne surviennent, ce qui nécessite la mise en place d'une maintenance préventive coûteuse. L'invention a pour but de proposer un ventilateur permettant de réduire les frais de maintenance. A cet effet, l'invention a pour objet un ventilateur du type précité, caractérisé en ce que les moyens de suivi du vieillissement comportent : -un capteur de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comporte-ment dynamique du ou de chaque roulement, lequel capteur est disposé dans le vo- lume intérieur délimité par la veine annulaire de circulation de l'air ; - une chaîne de traitement reliée au capteur de mesure et propre à calculer au moins un indicateur représentatif du comportement vibratoire du roulement à partir du paramètre mesuré et à apprécier le ou chaque indicateur représentatif du comporte-ment vibratoire du roulement issue du capteur vis-à-vis d'au moins un critère prédéter- miné. Suivant des modes particuliers de réalisation, le ventilateur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -le capteur de mesure est un accéléromètre ; - le capteur de mesure est un capteur piézoélectrique ; - les moyens de suivi comportent un unique capteur de mesure ; - le capteur de mesure est appliqué directement sur une bague d'un roulement ; - le capteur de mesure est appliqué sur le châssis de support au voisinage immédiat d'un roulement ; - la chaîne de traitement comporte des moyens d'analyse fréquentielle du para- mètre mécanique mesuré par le capteur de mesure sur une gamme de fréquences comprises entre 0 et 10 kHz au moins et ledit indicateur représentatif du comportement vibratoire est fonction des composantes fréquentielles du paramètre mesuré par le capteur de mesure comprises au moins entre 0 et 10 kHz ; - la chaîne de traitement comporte des moyens d'analyse fréquentielle du para- mètre mécanique mesuré par le capteur de mesure sur une gamme de fréquences comprises entre 0 et 20 kHz au moins et ledit indicateur représentatif du comportement vibratoire est fonction des composantes fréquentielles du paramètre mesuré par le capteur de mesure comprises au moins entre 0 et 20 kHz ; - l'indicateur représentatif du comportement vibratoire est une moyenne quadra- tique de l'ensemble des composantes fréquentielles du paramètre sur toute la gamme de fréquences ; - Ventilateur selon quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chaîne de traitement comporte : - des moyens d'échantillonnage fréquentiel du paramètre mesuré par le capteur de mesure ; - des moyens d'analyse fréquentielle du paramètre mesuré par le capteur de me-sure fournissant pour chaque fréquence une composante fréquentielle (V;) ; - des moyens de calcul du ou de chaque indicateur représentatif du comporte-ment vibratoire en fonction des composantes fréquentielles reçues ; - des moyens de comparaison dudit indicateur à au moins une valeur de réfé-rence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, don-née uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique qui est une vue en coupe longitudinale d'un ventilateur selon l'invention. Le ventilateur 10 illustré sur la figure 1 est destiné à être placé dans un circuit de ventilation d'un avion. Il comporte une structure de support 11 comprenant notamment un conduit extérieur tubulaire 12 et un bulbe 14 disposé à l'intérieur du conduit, une roue 16 étant montée mobile à rotation autour du bulbe. Le bulbe 14 est relié au conduit 12 par des bras transversaux 18, de sorte qu'une veine annulaire 19 est délimitée entre le conduit tubulaire 12 et le bulbe 14. Le bulbe 14 présente un châssis 20 portant un carénage 22. Le conduit tubulaire 12 est lié rigidement au châssis 20 pour former la structure de support. Un moteur électrique 24 est porté par le châssis et logé à l'intérieur du carénage 22. Il est disposé suivant l'axe du ventilateur. Le moteur 24 présente un arbre 26 portant à son extrémité la roue 16. Dans le mode de réalisation illustré, la roue 16 épouse la forme du bulbe 14. La roue est disposée du côté du bulbe par lequel l'air est aspiré. Le rotor du moteur est solidaire de l'arbre 26 alors que le stator du moteur est solidaire du châssis 20. L'arbre 26 du moteur est porté par deux roulements à billes 30, 32. Les roulements sont disposés de part et d'autre du moteur 24, un roulement avant 30 dit étant disposé entre le moteur 24 et la roue 16 alors que l'autre roulement 32 dit arrière est disposé à l'opposé de la roue 16 par rapport au moteur 24. Comme connu en soi, chaque roulement comporte une bague extérieure 30A, 32A solidarisée en rotation par rapport au châssis 20 et une bague intérieure 30B, 32B solidarisée en rotation à l'arbre 26 ainsi que des éléments de roulement, notamment des billes 30C, 32C interposées entre les deux bagues. Une cage de retenue des billes, formée d'une virole cylindrique percée de logements de réception des billes assure une équirépartition des billes et un positionnement correct de celles-ci entre les deux bagues. Le roulement arrière 32 est chargé axialement par des rondelles élastiques 34 disposées autour de l'arbre 26 et appliquées entre la bague extérieure 32A du roule-ment et le châssis 20. Ces rondelles élastiques forment ressort et repoussent la bague extérieure du roulement vers la roue 16. Le roulement avant 30 est de dimensions supérieures à celles du roulement arrière 32. En effet, le roulement 30 subit à la fois la charge du ressort 34 et de la poussée aérodynamique résultant de la roue 16. Selon l'invention, le ventilateur comporte des moyens 40 de suivi du vieillisse ment des roulements. Ces moyens comportent un capteur 42 de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique des roulements du ventilateur. Ce capteur est disposé dans le volume intérieur délimité par la veine annulaire 19. Il est placé sur le châssis 20 ou sur l'une des bagues extérieures 30A, 32A d'un roulement. Le capteur est en tout état de cause au voisinage immédiat de l'un des roulements et, plus précisément, soit en contact direct avec la bague du roulement, soit en contact direct avec une pièce directement liée à la bague du roulement. Suivant un premier mode de réalisation, le capteur est un accéléromètre. Suivant un autre mode de réalisation, le capteur de mesure est un capteur piézoélectrique pro- pre à mesurer les déformations de la pièce sur laquelle il est placé. Les moyens 40 de suivi du vieillissement des roulements comportent en outre une chaîne de traitement 44 reliée au capteur 42. Dans le mode de réalisation représenté, la chaîne de traitement est disposée à l'extérieur de la veine d'air de sorte que le capteur 42 est relié à la chaîne de traitement par des conducteurs 45 s'étendant le long de la structure de support et traversant la veine d'air annulaire 19 au travers des bras transversaux 18. La chaîne de traitement comporte d'abord un échantillonneur46 propre à assurer un échantillonnage du signal reçu du capteur 42. Par exemple, cet échantillonnage est réalisé avec une fréquence de 50 kHz de sorte que 50 000 échantillons par seconde sont recueillis en sortie de l'échantillonneur. La sortie de l'échantillonneur est reliée à une unité 48 d'analyse fréquentielle du signal. Cette unité est par exemple propre à assurer une transformée de Fourrier direct des échantillons du paramètre recueilli. Elle fournit ainsi en sortie des échantillons fréquentiels ou composantes fréquentielles notés V. Ces échantillons fréquentiels correspondent à une gamme de fréquen- ces d'au moins 0 à 10 kHz et de préférence au moins égale à 0 à 20 kHz, un échantillon fréquentiel étant fourni tous les demi-hertz, c'est-à-dire qu'au moins 20.000 ou 40.000 échantillons fréquentiels sont fournis. La chaîne de mesure comporte un module 50 de calcul d'un indicateur du comportement vibratoire noté Ind. Ce module est propre à assurer un calcul de l'indicateur Ind à partir des échantillons fréquentiels V; reçus de l'unité 48 sur toute la gamme de fréquences. De préférence, l'indicateur noté Ind est déterminé par la formule : V? fnd =k, (formule 1) avec Ici, k2 constantes V;, Vi échantillons fréquentiels i, j identification de l'échantillon X coefficient dépendant du fenêtrage n : nombre d'échantillons fréquentiels. Ainsi, l'indicateur est la différence entre une première moyenne quadratique li de l'ensemble des échantillons fréquentiels sur toute la gamme de fréquences et une moyenne quadratique 12 de seulement certains échantillons fréquentiels, ces échantillons correspondant aux fréquences propres au fonctionnement du moteur. La première moyenne quadratique Il prend en compte l'ensemble des échantil- Ions sur toute la gamme de fréquences de 0 à 10 kHz ou 0 à 20 Hz suivant la gamme d'échantillonnage. En revanche, la moyenne quadratique 12 constitue une correction facultative qui ne prend en compte que les fréquences vibratoires propres à la conception du moteur. Enfin, la chaîne de traitement comporte un comparateur 52 propre à comparer l'indicateur Ind calculé par le module 50 à deux valeurs de seuil prédéterminées notées Ind1 et Inde afin de fournir en sortie trois valeurs représentatives de l'état du ventilateur, à savoir, sur une sortie S,, une valeur indiquant que le ventilateur est en bon état, sur une sortie S2, une valeur indiquant une alarme pronostiquant une rupture future de l'un des roulements dans environ une centaine d'heures, et, sur une sortie S3, une valeur indiquant une alarme commandant un arrêt immédiat du ventilateur du fait d'une rupture imminente de l'un des roulements. Lors du fonctionnement du ventilateur, le capteur mesure en permanence le paramètre représentatif du comportement dynamique des roulements, celui-ci étant placé au plus proche de l'un d'entre eux. Or, quel que soit le roulement qui est en voie de dé- térioration, les conséquences vibratoires sont décelés par le capteur 42, puisque ces phénomènes sont transmis au travers de l'arbre 26. En continu, le paramètre mesuré par le capteur 42 est traité par la chaîne de traitement 44 qui assure une comparaison à intervalles réguliers de l'indicateur calculé. Compte tenu des contraintes spécifiques au ventilateur, le spectre de fréquences pris en compte pour le calcul de l'indicateur est très large et notamment comporte des fréquences allant au moins jusqu'à 10 kHz et de préférence allant jusqu'au moins à 20 kHz.5 REVENDICATIONS 1.- Ventilateur comportant une structure de support (11), une roue (16) portée par un arbre (26) accouplé à un moteur d'entraînement (24) et au moins un roulement à billes (30, 32) interposé entre l'arbre (26) et la structure de support (11), la structure de support (11) comprenant un conduit externe (12) renfermant un bulbe (14) qui présente un châssis (20) de support du moteur d'entraînement (24) et de la roue (16), le conduit externe (12) et le bulbe (14) délimitant une veine annulaire (19) de circulation de l'air mis en mouvement par la roue (16), le ventilateur comportant des moyens (40) de suivi du vieillissement des roulements, caractérisé en ce que les moyens (40) de suivi du vieillissement comportent : - un capteur (42) de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique du ou de chaque roulement (30, 32), lequel capteur est disposé dans le volume intérieur délimité par la veine annulaire (19) de circulation de l'air ; - une chaîne (44) de traitement reliée au capteur de mesure (42) et propre à cal- culer au moins un indicateur représentatif du comportement vibratoire du roulement à partir du paramètre mesuré et à apprécier le ou chaque indicateur représentatif du comportement vibratoire du roulement issue du capteur vis-à-vis d'au moins un critère pré-déterminé. 2.- Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de me- sure (42) est un accéléromètre. 3.- Ventilateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de me-sure (42) est un capteur piézoélectrique. 4.- Ventilateur selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que les moyens de suivi (40) comportent un unique capteur de mesure (42). 5.- Ventilateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur de mesure (42) est appliqué directement sur une bague (30A) d'un roulement (30). 6.- Ventilateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur de mesure (42) est appliqué sur le châssis (20) de support au voisinage immédiat d'un roulement (30). 7.- Ventilateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaîne de traitement (42) comporte des moyens (44, 46) d'analyse fréquentielle du paramètre mécanique mesuré par le capteur de mesure (42) sur une gamme de fréquences comprises entre 0 et 10 kHz au moins et ledit indicateur repré-sentatif du comportement vibratoire est fonction des composantes fréquentielles du paramètre mesuré par le capteur de mesure comprises au moins entre 0 et 10 kHz. 8.- Ventilateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chaîne de traitement (42) comporte des moyens (44, 46) d'analyse fréquentielle du paramètre méca- nique mesuré par le capteur de mesure (42) sur une gamme de fréquences comprises entre 0 et 20 kHz au moins et ledit indicateur représentatif du comportement vibratoire est fonction des composantes fréquentielles du paramètre mesuré par le capteur de mesure comprises au moins entre 0 et 20 kHz. 9.- Ventilateur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'indicateur représentatif du comportement vibratoire est une moyenne quadratique de l'ensemble des composantes fréquentielles du paramètre sur toute la gamme de fréquences. 10.- Ventilateur selon quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chaîne de traitement comporte : - des moyens (44) d'échantillonnage fréquentiel du paramètre mesuré par le cap- teur de mesure (42) ; - des moyens (44, 46) d'analyse fréquentielle du paramètre mesuré par le capteur de mesure (42) fournissant pour chaque fréquence une composante fréquentielle (Vi) ; - des moyens (50) de calcul du ou de chaque indicateur représentatif du compor- terrent vibratoire en fonction des composantes fréquentielles reçues ; - des moyens (52) de comparaison dudit indicateur à au moins une valeur de référence.