Brevet FR3029895A1 — publié le 20160617

Ventilateur et aéronef associé La présente invention concerne un ventilateur. L'invention se rapporte également à un aéronef associé. Les circuits de ventilation des avions incorporent des ventilateurs pour assurer la circulation de l'air dans les gaines de ventilation. De tels ventilateurs tournent à une vitesse élevée comprise entre 10 000 tours par minute et 30 000 tours par minute. En outre, il est souhaitable que les ventilateurs présentent une grande fiabilité. Pour cela, il est connu de proposer un ventilateur comportant un arbre supportant une roue et étant porté par deux roulements à billes. Les roulements sont graissés pour éviter leur échauffement et leur destruction rapide. Selon les cas, un tel ventilateur assure une circulation d'air pour la pressurisation et le confort des passagers (système de contrôle d'air), le refroidissement de composants (rack électroniques, maintien en température de la nourriture ou autres) ou le renouvellement de l'air (ventilation de toilettes). La rupture d'un tel ventilateur est, de ce fait, extrêmement dommageable pour l'avion dans lequel le ventilateur est implanté. Ainsi, un tel 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 les roulements à billes ne soient endommagés. Un tel programme de maintenance et un remplacement prématuré des pièces d'usure s'avèrent coûteux pour l'exploitation de l'avion. Le document WO 03/020582 A décrit également 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 répétés des pales du ventilateur avec le conduit externe du ventilateur, ces chocs risquant de conduire à la production de fumées. Toutefois, le dispositif précité ne permet que de détecter les pannes du ventilateur et ne permet pas de prévenir les pannes avant que de telles pannes ne surviennent. La mise en oeuvre du dispositif est donc difficile. Notamment, il convient de mettre en place d'une maintenance préventive coûteuse. Il existe donc un besoin pour un ventilateur qui soit de mise en oeuvre plus aisée. Pour cela, il est proposé un ventilateur comportant un moteur d'entraînement, un arbre accouplé au moteur d'entraînement, une roue portée par l'arbre et une structure de support. La structure de support comporte un corps extérieur, un conduit comprenant une paroi latérale, le conduit délimitant avec le corps extérieur un espace intérieur, et un logement situé dans l'espace intérieur et en contact avec la paroi latérale, le logement 3029895 2 délimitant un volume intérieur. Le ventilateur comporte au moins un roulement à billes interposé entre l'arbre et la structure de support et un capteur de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique du ou de chaque roulement, ledit capteur étant disposé dans le volume intérieur délimité par le logement. 5 Suivant des modes de réalisation particuliers, le ventilateur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le logement comporte une carte électronique, la carte électronique comportant le capteur. 10 - le logement comporte une chaîne de traitement reliée au capteur et propre à effectuer une décomposition en série de Fourier du comportement vibratoire du roulement. - la chaîne de traitement est propre à effectuer une décomposition en série de Fourier du comportement vibratoire du roulement pour des fréquences comprises 15 entre 10 Hz et 6 kHz. - la chaîne de traitement est propre à effectuer une décomposition en série de Fourier du comportement vibratoire du roulement pour des fréquences comprises entre 10 Hz et 20 kHz. - la chaîne de traitement est propre à calculer au moins une énergie mécanique 20 associée au comportement vibratoire du roulement sur une bande fréquentielle et à comparer l'énergie mécanique calculée à un niveau de référence. - le niveau de référence est l'énergie mécanique associée au comportement vibratoire du roulement d'un ventilateur en fonctionnement nominal sur la bande fréquentielle considérée. 25 - le logement comporte une carte électronique, la carte électronique comportant le capteur et la chaîne de traitement. - le capteur est un système microélectromécanique. - le ventilateur comporte un unique capteur de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique du ou de chaque roulement. 30 L'invention concerne aussi un aéronef comportant un ventilateur tel que précédemment décrit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : 35 - figure 1, une représentation schématique d'un aéronef comportant un ventilateur, 3029895 3 - figure 2, une vue en coupe longitudinale du ventilateur de la figure 1, le ventilateur comportant une carte électronique, et - figure 3, une représentation schématique des composants de la carte électronique. 5 Un aéronef 10 est représenté à la figure 1. L'aéronef 10 est, par exemple, un avion, un hélicoptère ou un drone. Selon l'exemple de la figure 1, l'aéronef 10 est un avion de ligne. Dans le cas particulier représenté, l'aéronef 10 comporte un réseau 12 d'alimentation électrique, un équipement 14 embarqué, une conduite 16 d'air débouchant 10 sur l'extérieur de l'aéronef 10 et un ventilateur 20 disposé au moins partialement dans la conduite d'air 16 et propre à engendrer un flux d'air dans la conduite 16. Selon un autre exemple, l'air est prélevé dans la zone cargo et expulsé dans la zone cargo. C'est notamment le cas pour les ventilateurs 20 assurant le refroidissement de composants électroniques. 15 Le réseau d'alimentation électrique 12 est un réseau électrique haute tension apte à fournir un courant alternatif triphasé de tension sensiblement égale à 115 V (Volts) ou à 200 V et d'intensité sensiblement égale à 10 A (Ampères). D'autres valeurs de tension et/ou d'intensité sont envisageables selon le ventilateur 20 considéré. 20 Le réseau d'alimentation électrique 12 comprend au moins trois bornes de raccordement permettant de raccorder le ventilateur 20 à chaque phase. Selon une autre variante de réalisation, le réseau d'alimentation 12 est un réseau électrique du type DC (de l'anglais « Direct Current ») apte à fournir un courant continu. Avantageusement, le réseau d'alimentation 12 est un réseau électrique du type 25 HVDC (de l'anglais « High Voltage Direct Current ») apte à fournir un courant continu haute tension. Selon cette variante de réalisation, le réseau d'alimentation électrique 12 comprend au moins deux bornes de raccordement permettant de raccorder le ventilateur 20. 30 L'équipement embarqué 14 est un équipement de l'aéronef 10 à refroidir ou qui a besoin d'air pour fonctionner (pressurisation,...) pendant au moins certaines phases d'exploitation de l'aéronef 10. Un exemple d'un tel équipement est un calculateur embarqué. Sur la figure 1, la conduite d'air 16 s'étend sensiblement suivant un axe 35 longitudinal X de déplacement de l'aéronef 10. 3029895 4 La conduite d'air 16 comporte une entrée 16E d'air disposée dans la partie avant de l'aéronef 10, une sortie 16S d'air disposée dans la partie arrière de l'aéronef 10 et un tronçon de forme cylindrique dans lequel un échangeur de chaleur est disposé transversalement. 5 L'entrée d'air 16E et la sortie d'air 16S sont adaptées pour permettre la circulation d'un flux d'air dans la partie intérieure de la conduite 16. L'échangeur de chaleur est raccordé thermiquement à l'équipement embarqué 14 et permet de refroidir l'équipement 14 lorsque l'échangeur de chaleur est exposé à un flux d'air circulant dans la conduite d'air 16. 10 Le ventilateur 20 est illustré plus en détail sur la figure 2. Le ventilateur 20 comporte une structure de support 24, un moteur d'entraînement 26, un arbre 28, une roue 30, deux roulements à billes 32, 34 et un système de détection de panne 58. La structure de support 24 comporte un corps extérieur 38, un conduit 40, un 15 bulbe 42, des bras 44 et un logement 46. Le conduit 40 présente une paroi latérale 48. Le conduit 40 est un conduit tubulaire s'étendant le long d'un axe longitudinal X. Le conduit 40 délimite avec le corps extérieur 38 un espace intérieur 50. Le bulbe 42 présente un châssis 52 portant un carénage 54. 20 Le conduit 40 est lié rigidement au châssis 52 pour former la structure de support 24. Le bulbe 42 est relié au conduit 40 par les bras 44, de sorte qu'une veine annulaire 56 est délimitée entre le conduit 40 et le bulbe 42. Chacun des bras 44 est, selon l'exemple de la figure 2, un bras transversal 25 s'étendant dans deux directions transversales, une première direction transversale Y et une deuxième direction transversale Z. Le logement 46 présente la forme d'une saillie vers l'extérieur. Le logement 46 délimiter un espace intérieur, qui dans le cas particulier de la figure 2 correspond exactement à l'espace intérieur 50. 30 Le logement 46 comporte le système de détection de panne 58. Le système de détection de panne 58 est une carte électronique 59 supportant différents composants qui sont visibles à la figure 3. La carte électronique 59 présente la forme générale d'une plaque s'étendant dans un plan normal à la première direction transversale Y. 35 La carte électronique 59 est dans l'espace intérieur 50. La carte électronique 59 comporte un capteur 36 et une chaîne de traitement 60. 3029895 5 Le capteur 36 comporte une sortie 36S. Le capteur 36 est un capteur de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique du ou de chaque roulement 32, 34. Par exemple, la vibration émise par les roulements 32, 34 et transmise le long du 5 corps du ventilateur 20 est un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique du ou de chaque roulement 32, 34. Le capteur 36 est ainsi propre à délivrer un signal sur la sortie 36S représentatif du paramètre mécanique mesuré. Selon l'exemple de la figure 2, le capteur 36 est un microsystème 10 électromécanique. Un microsystème électromécanique est un microsystème comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant l'électricité comme source d'énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur et/ou d'actionneur, avec au moins une structure présentant des dimensions micrométriques. La fonction du système étant en partie 15 assurée par la forme de cette structure. Le terme systèmes microélectromécaniques est la version française de l'acronyme anglais MEMS (pour « Microelectromechanical systems »). En variante, le capteur 36 est un accéléromètre. Suivant un autre mode de réalisation, le capteur 36 est un capteur piézoélectrique. 20 La chaîne de traitement 60 comporte un échantillonneur 62 et un module de calcul 64. L'échantillonneur 62 comporte une entrée 62E et une sortie 62S. L'entrée 62E de l'échantillonneur 62 est reliée à la sortie 36S du capteur 36 tandis que la sortie 62S de l'échantillonneur 62 est reliée au module de calcul 64. 25 L'échantillonneur 62 est propre à assurer un échantillonnage du signal provenant du capteur 36. Les fréquences d'échantillonnage sont comprises entre 15 kHz (kiloHertz) et 50 kHz suivant le besoin et l'application. Usuellement, il est appliqué un rapport 2,6 entre la fréquence d'échantillonnage et 30 la fréquence maximale de la bande fréquentielle de mesure dans laquelle est calculée une transformée de Fourier. Notamment, pour une bande fréquentielle de mesure comprise entre 10 Hz et 6 kHz, la fréquence d'échantillonnage est choisie à 15 kHz alors que, pour une bande fréquentielle de mesure comprise entre 10 Hz et 20 kHz, la fréquence d'échantillonnage est choisie à 50 kHz 3029895 6 Par exemple, l'échantillonneur 62 est propre à réaliser un échantillonnage avec une fréquence de 20 kHz (kiloHertz) de sorte que 20 000 échantillons par seconde sont recueillis en sortie de l'échantillonneur 62. Le module de calcul 64 comporte une entrée 64E et une sortie 64S. L'entrée 64E 5 du module de calcul 64 est reliée à la sortie 62S de l'échantillonneur 62. Le module de calcul 64 est propre à mettre en oeuvre une transformée de Fourier direct des échantillons du paramètre recueilli. Autrement formulé, le module de calcul 64 est propre à réaliser une décomposition en série de Fourier des échantillons fournis par l'échantillonneur 62 pour obtenir les 10 coefficients de la série de Fourier pour différentes composantes fréquentielles. Par exemple, les composantes fréquentielles pour lesquelles un coefficient de la série de Fourier est obtenu par le module de calcul ont une fréquence comprise entre 10 Hz et 6 kHz ou entre 10 Hz et 20 kHz suivant le besoin et l'application. En outre, l'intervalle entre les composantes fréquentielles est choisi pour obtenir 15 entre 200 et 1600 coefficients différents. Pour cela, l'intervalle est compris entre 1 Hz et 5 Hz. Le module de calcul 64 est propre à calculer une pluralité de critères, chaque critère étant représentatif d'un dysfonctionnement des roulements 32, 34. Chaque critère consiste à comparer l'énergie mécanique produite par le 20 ventilateur 20 sur une bande fréquentielle avec un niveau de référence. Selon les cas, la bande fréquentielle est spécifique ou large. Pour le cas d'une bande fréquentielle spécifique, l'énergie mécanique est obtenue en calculant la somme quadratique des coefficients de la décomposition en séries de Fourier dont la fréquence associée est comprise dans la bande fréquentielle spécifique. 25 A titre d'exemple, la bande fréquentielle spécifique est la bande regroupant les fréquences comprises entre 180 Hz et 220 Hz. L'énergie mécanique est alors calculée en sommant les carrés de chacun des coefficients de la décomposition en séries de Fourier dont la fréquence est comprise entre 180 Hz et 220 Hz. L'énergie mécanique sur la bande fréquentielle est alors comparée à un niveau de 30 référence correspondant à un ventilateur fonctionnant de manière nominale. Dans le cas où l'énergie mécanique calculée est strictement supérieure au niveau de référence, cela indique une usure des roulements 32, 34. Les bandes fréquentielles spécifiques sont déterminées en fonction de panne spécifique, de sorte que si un critère associé à une bande fréquentielle spécifique n'est 35 pas vérifiée, il est possible de déterminer le type de panne. Un tel critère est qualifié dans la suite de « critère local ». 3029895 7 Lorsque la bande fréquentielle est large, généralement l'ensemble des fréquences analysées, soit entre 10 Hz et 6 kHz ou entre 10 Hz et 20 kHz, il est également calculé l'énergie mécanique. L'énergie mécanique est ensuite comparée à un niveau de référence correspondant à un ventilateur fonctionnant de manière nominale. Dans le cas 5 où l'énergie mécanique calculée est strictement supérieur, cela indique une usure des roulements 32, 34. Un tel critère est qualifié dans la suite de « critère global ». De préférence, le module de calcul 64 est propre à mettre en oeuvre une pluralité de critères locaux et le critère global pour détecter tout dysfonctionnement possible. 10 Le moteur 26 est porté par le châssis 52 et logé à l'intérieur du carénage 54. En outre, le moteur 26 est disposé suivant l'axe du ventilateur 20. Le rotor du moteur 26 est solidaire de l'arbre 28 alors que le stator du moteur 26 est solidaire du châssis 52. L'arbre 28 est accouplé au moteur d'entraînement 26. 15 La roue 30 est portée par une extrémité de l'arbre 28. Dans le mode de réalisation illustré, la roue 30 épouse la forme du bulbe 42. La roue 30 est disposée du côté du bulbe 42 par lequel l'air est aspiré. Les deux roulements à billes 32 et 34 portent l'arbre 28. Les deux roulements 32 et 34 sont disposés de part et d'autre du moteur 26. 20 Le premier roulement 32, aussi dit roulement avant 32, est disposé entre le moteur 26 et la roue 30. Le deuxième roulement 34, aussi dit roulement arrière 34, est disposé à l'opposé de la roue 30 par rapport au moteur 26. Chaque roulement 32, 34 comporte une bague extérieure 32A, 34A solidarisée en 25 rotation par rapport au châssis 42 et une bague intérieure 32B, 34B solidarisée en rotation à l'arbre 28 ainsi que des éléments de roulement, notamment des billes 32C, 34C interposées entre les deux bagues 32A, 34A, 32B, 34B. Une cage de retenue des billes, formée d'une virole cylindrique percée de logements de réception des billes 32C, 34C assure une équirépartition des 30 billes 32C, 34C et un positionnement correct des billes 32C, 34C entre les deux bagues 32A, 34A, 32B, 34B. Le roulement arrière 34 est chargé axialement par des rondelles élastiques 70 disposées autour de l'arbre 28 et appliquées entre la bague extérieure 34A du deuxième roulement 34 et le châssis 42. De telles rondelles élastiques 70 forment ressort et 35 repoussent la bague extérieure 34A du deuxième roulement 34 vers la roue 30. Le fonctionnement du ventilateur 20 est maintenant décrit. 3029895 8 Le capteur 36 mesure en permanence un paramètre représentatif du comportement dynamique des roulements 32, 34. En continu, le paramètre mesuré par le capteur 36 est traité par la chaîne de traitement 60 qui assure une surveillance des critères locaux et du critère global. 5 En d'autres termes, le ventilateur 20 permet la détection de l'endommagement des roulements 32 grâce à la détection de l'augmentation du niveau vibratoire sur des bandes de fréquences spécifiques. Plus spécifiquement le ventilateur 20 permet de répondre à deux besoins distincts. D'une part, le ventilateur 20 permet de détecter les cas de panne correspondant à 10 une dégradation d'un roulement 32 ne remettant pas en cause le fonctionnement de l'équipement. Dans un tel cas, une alerte est envoyée à l'opérateur pour programmer une maintenance visant à remplacer l'équipement avant qu'une conséquence ait lieu sur le fonctionnement de l'avion 10. D'autre part, le ventilateur 20 permet de détecter les cas de panne correspondant 15 à une dégradation d'un roulement 32 remettant en cause le fonctionnement de l'équipement. Dans un tel cas, l'équipement est arrêté pour éviter qu'une conséquence ait lieu sur le fonctionnement de l'avion 10. Un équipement redondant est également utilisé en remplacement de l'équipement défaillant. Le ventilateur 20 présente l'avantage d'être de mise en oeuvre plus aisée. 20 En effet, le capteur 36 est intégré dans le ventilateur 30, ce qui résulte en un gain en masse et en volume. De plus, l'ensemble de la chaîne d'acquisition 60 et du capteur 36 est intégré dans la carte électronique 58, ce qui est facile à intégrer. En outre, il est évité d'utiliser une liaison filaire entre le capteur 36 et la carte 25 électronique, liaison filaire qui s'avère souvent peu fiable. Selon un mode de réalisation particulier, le capteur 36 est unique, ce qui simplifie encore plus la mise en oeuvre du ventilateur 20. Selon un autre mode de réalisation particulier, le système de détection de panne 58 comporte, en outre, un filtre anti-recouvrement positionné entre le capteur 36 et 30 l'échantillonneur 62. Selon les cas, le filtre est un élément physique additionnel ou un logiciel implémenté par le module de calcul 64. REVENDICATIONS1.- Ventilateur (20) comportant : - un moteur d'entraînement (26), un arbre (28) accouplé au moteur d'entraînement (26), une roue (30) portée par l'arbre (28), une structure de support (24), la structure de support (24) comportant : - un corps extérieur (38), - un conduit (40) comprenant une paroi latérale (48), le conduit (40) délimitant avec le corps extérieur (38) un espace intérieur (50), et - un logement (46) situé dans l'espace intérieur (50) et en contact avec la paroi latérale (48), le logement (46) délimitant un volume intérieur, au moins un roulement à billes (32, 34) interposé entre l'arbre (28) et la structure de support (24), et - un capteur (36) de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique du ou de chaque roulement (32, 34), ledit capteur (36) étant disposé dans le volume intérieur délimité par le logement (46). 2.- Ventilateur selon la revendication 1, dans lequel le logement (46) comporte une carte électronique (59), la carte électronique (59) comportant le capteur (36). 3.- Ventilateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le logement (46) comporte une chaîne de traitement (60) reliée au capteur (36) et propre à effectuer une décomposition en série de Fourier du comportement vibratoire du roulement (32, 34). 4.- Ventilateur selon la revendication 3, dans lequel la chaîne de traitement (60) est propre à effectuer une décomposition en série de Fourier du comportement vibratoire du roulement (32, 34) pour des fréquences comprises entre 10 Hz et 20 kHz, de préférence entre 10 Hz et 6 kHz. 5.- Ventilateur selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la chaîne de traitement (60) est propre à calculer au moins une énergie mécanique associée au comportement vibratoire du roulement (32, 34) sur une bande fréquentielle et à comparer l'énergie mécanique calculée à un niveau de référence. 30 35 3029895 10 6.- Ventilateur selon la revendication 5, dans lequel le niveau de référence est l'énergie mécanique associée au comportement vibratoire du roulement (32, 34) d'un ventilateur en fonctionnement nominal sur la bande fréquentielle considérée. 5 7.- Ventilateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le logement (46) comporte une carte électronique (59), la carte électronique (59) comportant le capteur (36) et la chaîne de traitement (60). 8.- Ventilateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le 10 capteur (36) est un système microélectromécanique. 9.- Ventilateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le ventilateur (20) comporte un unique capteur (36) de mesure d'un paramètre mécanique représentatif du comportement dynamique du ou de chaque roulement (32, 34). 15 10.- Aéronef (10) comportant un ventilateur (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.