Brevet FR3078948A1 — publié le 20190920

La présente demande de brevet se rapporte à un procédé et à un système de dégivrage ou d'anti-givrage de partie d'aéronef. La formation de givre sur des parties d'aéronef, telles que les bords d'attaque des ailes ou les lèvres d'entrée d'air de nacelles de turboréacteurs, est un 5 problème récurrent dans le domaine de l'aéronautique. En effet, l'apparition de givre sur ces parties d'aéronef non seulement augmente le poids de ce dernier, mais encore est susceptible de conduire à la formation de blocs de glace pouvant se détacher et venir impacter des parties sensibles de l'aéronef, telles que les aubes d'une soufflante de turboréacteur. 10 Pour cette raison, de nombreux travaux ont été effectués dans l'art antérieur, afin de mettre en place des systèmes permettant de lutter efficacement contre la formation de givre (anti-givrage), et de faire disparaître la couche de givre une fois que celle-ci est apparue (dégivrage). Certains systèmes de la technique antérieure sont pneumatiques : de l'air 15 chaud est prélevé sur le moteur de l'aéronef, et cet air chaud vient lécher faces internes des parois à dégivrer, de manière à faire fondre le givre qui se forme sur les faces externes de ses parois. Ce système pneumatique, bien qu'assez efficace, présente l'inconvénient de nécessiter un circuit de tuyauterie spécifique, et de prélever une partie significative 20 d'énergie sur les moteurs, venant ainsi pénaliser le rendement de ceux-ci. On trouve par ailleurs dans la technique antérieure des systèmes permettant de faire vibrer les parois sur lesquelles se forme le givre : cette vibration est obtenue au moyen d'éléments piézoélectriques fixés sur les faces internes de ces parois ; l'envoi de courants électriques d'excitation dans ces éléments permet de les 25 faire vibrer, et de provoquer ainsi un décollement mécanique de la couche de givre se formant sur la face externe de la paroi. Un exemple de cette technologie est proposé par le document antérieur US20100031972, qui décrit un procédé de commande d'éléments piézoélectriques permettant d'additionner les amplitudes des vibrations produites par ces éléments en 30 chaque point de la paroi à dégivrer, et ainsi d'optimiser la consommation électrique de ces éléments. La présente invention vise à améliorer cette dernière technologie. A cet effet, la présente invention fournit un procédé de dégivrage ou d'anti-givrage de partie d'aéronef au moyen d'au moins un élément piézoélectrique fixé 35 sur la face interne de cette partie, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 2 - pendant la conception de ladite partie, on place ledit élément piézoélectrique sur une zone de ladite partie afin de rechercher les fréquences de résonance et de couplage dynamique optimal, et - lors du dégivrage ou de l'anti-givrage de ladite partie, on excite le même 5 élément piézoélectrique selon des fréquences propres de ladite zone. Grâce au procédé selon l'invention, qui comprend une étape préalable de placement de chaque élément piézoélectrique sur une zone de la partie d'aéronef à dégivrer qui permet un couplage électrotechnique optimal, puis une étape d'excitation de cet élément piézoélectrique à des fréquences permettant de faire résonner cette 10 zone, on obtient une amplitude de vibration de cette zone qui est maximale, permettant ainsi de rompre puis de décoller la couche de givre. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles du procédé selon l'invention : - on adapte l'impédance du circuit d'excitation dudit élément 15 piézoélectrique à celle de cet élément, - on vérifie au préalable le bon fonctionnement dudit élément piézoélectrique en mesurant son impédance et en la comparant avec son impédance nominale, ou bien en analysant la dérive de cette impédance, - on identifie la présence de givre par mesures successives de 20 l'amortissement dynamique dudit élément piézoélectrique au moyen d'un analyseur de spectre qui permet de caractériser par balayage fréquentiel la qualité du couplage électro-mécanique dudit élément piézo-électrique avec ladite partie, - on excite ledit élément piézoélectrique dans plusieurs plages de fréquences, dont au moins une plage de fréquences situées entre 10kHz et 200 kHz, de 25 manière simultanée ou successive, en fonction du résultat de l'étape de recherche des fréquences de résonance et de couplage dynamique optimal pendant ladite phase de conception, - on excite ledit élément piézoélectrique par intermittence, soit avec une temporisation soit à partir d'une mesure de la variation d'impédance de cet élément, 30 - on prévoit un deuxième élément piézoélectrique situé à proximité dudit premier élément piézoélectrique, et si le niveau électrique détecté par ledit deuxième élément est proche du niveau d'excitation dudit premier élément, on en déduit que le dégivrage est opérationnel ; sinon, on excite également ledit deuxième élément, pour ajouter son action à celle dudit premier élément, 3 - on commute l'excitation d'un ensemble d'éléments piézoélectriques vers un autre ensemble, en fonction de l'épaisseur de givre, de manière à éviter de dégivrer des zones où cette épaisseur est faible, et à réduire ainsi la consommation d'énergie. La présente invention se rapporte également à un système de dégivrage 5 ou d'anti-givrage d'une partie d'aéronef, comprenant au moins un élément piézoélectrique fixé à l'intérieur de cette partie, et un circuit d'excitation comprenant un générateur de signaux, un amplificateur, un analyseur du spectre électrique produit par ledit élément piézoélectrique, un détecteur de fréquences propres, un comparateur à mémoire et un générateur de consignes de fréquences. 10 Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de ce système : - ledit circuit d'excitation comprend des moyens de stockage électrique tels qu'une batterie ou un super condensateur, - ledit circuit d'excitation comprend des moyens d'adaptation d'impédance à l'impédance dudit élément piézoélectrique, 15 - ce système comprend une pluralité d'éléments piézoélectriques, et des moyens de multiplexage entre les systèmes d'alimentation et de contrôle de ces éléments piézoélectriques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, et à l'examen des figures ci-20 annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'une portion de lèvre d'entrée d'air d'une nacelle de turboréacteur d'aéronef, équipée d'un élément piézoélectrique relié à un boîtier de commande, - la figure 2 est un schéma de l'architecture de commande de l'élément 25 piézoélectrique de la figure 1, et - la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1, d'une variante comprenant un élément piézoélectrique passif disposé à côté d'un élément piézoélectrique actif. En se reportant à la figure 1, on a représenté de manière schématique une 30 lèvre d'entrée d'air 1 d'une nacelle de turboréacteur d'aéronef, sur la face interne 3 de laquelle est collé un élément piézoélectrique 5, relié par un câblage électrique 7 à un boîtier de commande 9. Ce boîtier de commande peut recevoir des ordres 11 provenant du pilote de l'aéronef, envoyer 13 des informations vers ce pilote, et être alimenté 35 électriquement 15 par un circuit installé à bord de l'avion. 4 Plus précisément, l'architecture de commande de l'élément piézoélectrique 5 peut être visualisée sur la figure 2. Cette architecture comprend un générateur 16 de consignes de fréquences, un générateur 17 de fréquences électriques, un amplificateur 19 de ces 5 signaux, une inductance variable 21 permettant d'adapter l'impédance de l'excitation électrique à celle de l'élément piézoélectrique 5. Les organes 16, 17, 19, 21 permettent d'engendrer une excitation électrique sinusoïdale de l'élément piézoélectrique 5 à travers le circuit d'excitation 7. Un analyseur de spectre de fréquences 23 permet de mesurer à travers un 10 circuit de retour 24 les fréquences de vibration effective de l'élément piézoélectrique 5. Une électronique 25 permet de détecter les pics d'amplitude de vibration de l'élément piézoélectrique 5, indiquant ainsi que la paroi de l'entrée d'air 1 vibrent selon l'une de ces fréquences propres. 15 Un comparateur à mémoire 27 est interposé entre le détecteur de fréquences propres 25 et de générateur de consignes 16. Le principe de fonctionnement de l'invention est le suivant. Lors de la conception de l'entrée d'air 1, on place une pluralité d'éléments piézoélectriques tels que l'élément piézoélectrique 5 sur la face interne 3 de cette 20 entrée d'air 1, à des endroits permettant de réaliser un couplage électrotechnique optimal, c'est-à-dire à des endroits permettant de maximiser l'amplitude de vibration de la paroi 3 sous l'effet de la vibration des éléments piézoélectriques 5 pour un courant d'excitation donnée. Par la suite, en fonctionnement, au début d'une séquence de dégivrage ou 25 d'anti-givrage, on commence par vérifier l'intégrité des éléments piézoélectriques en mesurant leur impédance, et en la comparant à une valeur nominale ou à une valeur précédemment enregistrée : tout écart important par rapport à cette valeur peut révéler un problème de collage ou d'intégrité de l'élément piézoélectrique concerné. On envoie à chaque élément piézoélectrique 5 des impulsions électriques 30 au moyen du générateur de signaux 17, et on examine l'amortissement de ces signaux au moyen de l'analyseur de spectre 23. On peut avantageusement utiliser un bruit gris ou polyfréquentiel pour couvrir une bande de fréquences contenant des fréquences propres de la structure porteuse 1. 35 Lorsqu'un amortissement significatif est détecté, cela signifie que du givre est en cours de formation sur la paroi extérieure 29 de l'entrée d'air 1. On envoie alors, au moyen du générateur de signaux 17 et de son amplificateur associé 19, un courant d'excitation de chaque élément piézoélectrique 5 selon des fréquences fixées par le générateur de consignes 16. De préférence, ces fréquences d'excitation comprennent d'une part une 5 plage de basses fréquences, typiquement situées aux alentours de 40 kHz, et d'autre part une plage de hautes fréquences, typiquement situées aux alentours de 200 Hz. En fonction des signaux recueillis par l'analyseur de spectre 23, on fait varier ces fréquences d'excitation jusqu'à obtention d'un phénomène de résonnance de l'élément piézoélectrique 5, détecté par l'organe de détection de fréquences 10 propres 25. Cette mise en résonance de chaque élément piézoélectrique 5 permet d'obtenir une amplitude de vibration maximale de la zone concernée de la lèvre d'entrée d'air 1, et ainsi un fractionnement, puis un décollement de la couche de givre formé sur la face externe 29 de cette lèvre d'entrée d'air. 15 On notera que la plage de basses fréquences permet plus particulièrement de réaliser l'opération de fractionnement de la glace, et que la plage de hautes fréquences permet plus particulièrement de réaliser l'opération de décollement de cette couche de glace. On notera que les courants d'excitation dans les deux plages de fréquences 20 susmentionnées peuvent être envoyés de manière simultanée ou alternative vers les éléments piézoélectriques. De manière avantageuse, on peut prévoir une temporisation fixe ou fonction de la mesure de la variation d'impédance des éléments piézoélectriques, permettant de n'exciter ceux-ci que lorsque la couche de givre atteint une épaisseur 25 suffisante, typiquement située entre 0,5 et 0,6 mm : on a en effet pu constater de manière empirique que le dégivrage n'atteignait sa pleine efficacité que lorsqu'une telle épaisseur était atteinte. Une amélioration importante peut être apportée en prévoyant que le circuit électronique d'excitation des éléments piézoélectriques 5 comprenne des 30 moyens d'adaptation de l'impédance à celle de ses éléments piézoélectriques. En effet, ces éléments piézoélectriques ont un comportement analogue à celui de condensateurs dans le circuit d'excitation électrique : ceci induit une puissance réactive importante et un mauvais coscl), entraînant une perte d'énergie. Les moyens d'adaptation d'impédance peuvent comprendre une 35 inductance fixe (bobine) ou bien, de manière plus perfectionnée, une inductance variable en fonction de la fréquence d'excitation : cette dernière solution pourrait 6 convenir notamment pour résorber les couches de givre très épaisses perturbant fortement les fréquences de résonance de la paroi à dégivrer. Comme on peut le comprendre à la lumière de ce qui précède, l'invention permet d'optimiser l'amplitude des vibrations de la zone à dégivrer, pour une excitation 5 électrique donnée : ceci permet d'expulser le givre avec une moindre consommation d'énergie électrique, par un procédé purement dynamique. En pratique, on constate qu'il n'y a pratiquement pas de passage du givre à l'état liquide, de sorte qu'il n'y a pratiquement pas d'énergie électrique dissipée en chaleur : la disparition du givre est provoquée de manière quasi-exclusive par la mise 10 en mouvement vibratoire de la paroi sur laquelle il s'est formé. Selon une variante représentée à la figure 3, on peut prévoir qu'a côté de chaque élément piézoélectrique actif 5, c'est-à-dire sollicité par des excitations électriques conformément à ce qui précède, se trouve un élément piézoélectrique passif 5', ces deux éléments piézoélectriques étant reliés respectivement par des câbles 15 électriques 7 et 7' à un comparateur 30, lui-même relié respectivement par des câbles d'excitation électrique 31 et de retour 33 à un bloc de contrôle 35. Dans cette configuration particulière, l'élément piézoélectrique passif 5' permet de mesurer les vibrations effectives provoquées par l'élément piézoélectrique actif 5, et de détecter un éventuel dysfonctionnement. 20 Dans l'éventualité d'un tel dysfonctionnement, on peut alors envoyer un courant d'excitation électrique dans l'élément piézoélectrique 5', de manière à le transformer en élément actif, et à ajouter sa contribution vibratoire à celle de l'élément piézoélectrique 5. Dans une configuration plus économique, on peut envisager qu'il n'y ait 25 pas d'une part des éléments piézoélectriques actifs et d'autre part des éléments piézoélectriques passifs, mais que tous les éléments piézoélectriques soient appariés (c'est-à-dire fonctionnent par paires) chaque élément piézoélectrique d'une paire pouvant fonctionner alternativement en élément actif ou en élément passif. Dans une logique d'économie d'énergie, on notera que l'on peut envisager 30 un multiplexage par zones des éléments piézoélectriques, permettant de n'exciter que les éléments piézoélectriques se trouvant dans une zone où la couche de givre a atteint une épaisseur suffisante (voir supra : typiquement entre 0,5 et 0,6 mm) afin d'optimiser la consommation d'énergie électrique. Cette stratégie permet de réaliser une réelle économie de puissance en 35 augmentant le ratio temps de reformation du givre/temps de dégivrage. 7 Toujours dans une logique d'économie d'énergie électrique, on peut également envisager un circuit électrique comprenant une batterie ou un super-condensateur, rechargé pendant le temps de reconstitution de la couche de givre, et déchargé lors de la mise en oeuvre de l'excitation électrique de dégivrage, permettant 5 ainsi d'augmenter le voltage de pic et donc les déflexions maximales des éléments piézoélectriques. Bien entendu, la présente invention n'est REVENDICATIONS1. Procédé de dégivrage ou d'anti-givrage de partie d'aéronef (1) au moyen d'au moins un élément piézoélectrique (5) fixé sur la face interne (3) de cette partie, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - pendant la conception de ladite partie (1), on place ledit élément piézoélectrique (5) sur une zone de ladite partie afin de rechercher les fréquences de résonance et de couplage dynamique optimal, et - lors du dégivrage ou de l'anti-givrage de ladite partie (1), on excite le même élément piézoélectrique (5) selon des fréquences propres de ladite zone. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on vérifie au préalable le bon fonctionnement dudit élément piézoélectrique (5) en mesurant son impédance et en la comparant avec son impédance nominale, ou bien en analysant la dérive de cette impédance. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on identifie la présence de givre par mesures successives de l'amortissement dynamique dudit élément piézoélectrique (5) au moyen d'un analyseur de spectre qui permet de caractériser par balayage fréquentiel la qualité du couplage électro- mécanique dudit élément piézo-électrique avec ladite partie. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on excite ledit élément piézoélectrique (5) dans plusieurs plages de fréquences, dont au moins une plage de fréquences situées entre 10kHz et 200 kHz, de manière simultanée ou successive, en fonction du résultat de l'étape de recherche des fréquences de résonance et de couplage dynamique optimal pendant ladite phase de conception. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on excite ledit élément piézoélectrique (5) par intermittence, soit avec une temporisation soit à partir d'une mesure de la variation d'impédance de cet élément. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on prévoit un deuxième élément piézoélectrique (5') situé à proximité dudit premier élément piézoélectrique (5), et si le niveau électrique détecté par ledit deuxième élément (5') est proche du niveau d'excitation dudit premier élément (5), on en déduit que le dégivrage est opérationnel ; sinon, on excite également ledit deuxième élément (5'), pour ajouter son action à celle dudit premier élément (5). 9 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on commute l'excitation d'un ensemble d'éléments piézoélectriques vers un autre ensemble, en fonction de l'épaisseur de givre, de manière à éviter de dégivrer des zones où cette épaisseur est faible, et à réduire ainsi la consommation d'énergie. 5 8. Système de dégivrage ou d'anti-givrage d'une partie (1) d'aéronef, comprenant au moins un élément piézoélectrique (5) fixé à l'intérieur de cette partie, et un circuit d'excitation comprenant un générateur de signaux (17), un amplificateur (19), un analyseur du spectre électrique (23) produit par ledit élément piézoélectrique (5), un détecteur de fréquences propres (25), un comparateur à 10 mémoire (27) et un générateur de consignes de fréquences (16). 9. Système selon la revendication 8, dans lequel ledit circuit d'excitation comprend des moyens de stockage électrique tels qu'une batterie ou un super condensateur. 10. Système selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel ledit circuit 15 d'excitation comprend des moyens d'adaptation d'impédance (21) à l'impédance dudit élément piézoélectrique (5). 11. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, comprenant une pluralité d'éléments piézoélectriques (5), et des moyens de multiplexage entre les systèmes d'alimentation et de contrôle de ces éléments 20 piézoélectriques.