SYSTÈME DE DÉTECTION D'UN ÉVÈNEMENT FUGACE SUR UNE ROUE AUBAGÉE DE MOTEUR D'AÉRONEF
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des systèmes de surveillance d'un moteur d'aéronef et plus particulièrement, la détection d'évènements fugaces sur une roue aubagée du moteur d'aéronef. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un évènement fugace peut correspondre à une ingestion de corps étranger, un contact rotor-stator, ou un phénomène aéro-acoustique. L'ingestion de corps étranger ou dégâts causés par des corps étrangers FOD (Foreign Object Damage) constitue la cause principale de retard ou d'annulation de vol D&C (Delays and Cancelation). En effet, dans la plupart des cas, le choc n'est pas perçu par le pilote pendant le vol et le constat sur l'aube est fait lors du contrôle de l'avion juste avant le redécollage. Par ailleurs, un éventuel contact entre le rotor et stator du moteur peut entraîner une dégradation des aubes (par exemple, délaminage, criques en bout de pale, usure) ou du stator (par exemple, usure du revêtement abradable). Ces dégradations sont dommageables pour la durée de vie des aubes ou les performances du moteur. D'autres phénomènes fugaces peuvent concerner des évènements de type aéro-acoustique, heureusement très peu probables, mais qui peuvent néanmoins conduire à un vieillissement accéléré des aubes ou pales.
Une solution aux évènements fugaces consiste à démonter le moteur de manière périodique pour contrôler l'état des aubes. Toutefois, ceci ne permet pas de détecter l'évènement au moment où il se produit et peut éventuellement nécessiter une sollicitation vibratoire des aubes, qui peut être endommageable si elle n'est pas parfaitement contrôlée. De plus, le démontage périodique est coûteux et réduit la disponibilité opérationnelle de l'aéronef. En outre, il n'est pas garanti d'éviter un éventuel endommagement des aubes consécutif à un évènement fugace entre deux inspections. Afin de résoudre ce genre de problèmes, on utilise actuellement des systèmes de surveillance destinés à détecter ce genre d'évènements. Ces systèmes de détection permettent de planifier les opérations de contrôle et de maintenance à réaliser et donc d'améliorer la disponibilité opérationnelle de l'aéronef. Ils permettent aussi de réduire les coûts de maintenance. Toutefois, ceci nécessite en général, plusieurs systèmes de surveillance, chacun étant dédié pour chaque phénomène spécifique à surveiller, ce qui est préjudiciable au bilan de masse de l'appareil. En effet, la conception de chaque système de surveillance nécessite des moyens spécifiques et complexes pour résoudre les différents aspects techniques de la surveillance liée à chaque phénomène entraînant des augmentations importantes de masses et de coût. De plus, ces systèmes ne permettent pas d'identifier les composants endommagés de l'aubage.
Un système de surveillance connu est décrit dans la demande de brevet EP0284392. Ce système comporte des capteurs installés dans le moteur d'aéronef pour détecter les charges électrostatiques engendrées par le passage des corps étrangers à travers le moteur. Ce système de surveillance est spécifique à l'ingestion de corps étrangers FOD et ne permet pas de surveiller d'autres phénomènes fugaces. De plus, ce système ne permet pas d'identifier la ou les aube(s) potentiellement endommagée(s). L'objet de la présente invention est par conséquent de proposer un système de surveillance simple à mettre en oeuvre et qui est capable de surveiller avec précision et fiabilité des évènements fugaces sans présenter les inconvénients précités.
EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un système de surveillance d'un évènement fugace sur une roue aubagée d'un moteur d'aéronef, comportant : - des moyens d'acquisition pour acquérir un signal temporel relatif à des aubes mobiles de la roue aubagée, - des moyens de traitement pour détecter une perturbation dudit signal temporel par rapport à un signal temporel de référence correspondant à une même phase de vol, le signal temporel perturbé étant représentatif d'un évènement fugace sur ladite roue aubagée.
Le système de la présente invention permet de détecter en temps réel et avec une grande précision l'apparition d'un évènement fugace en décelant toute perturbation dans le signal temporel brut de manière simple et avec un temps de calcul minimal. Selon un aspect de la présente invention, les moyens de traitement sont configurés pour analyser ledit signal temporel perturbé par rapport à une référence angulaire pour identifier le(les) aube(s) impactée(s) de ladite roue aubagée. Ainsi, on peut identifier avec certitude la ou les aube(s) endommagée(s) et par conséquent, de faciliter le contrôle des opérations de maintenance. Selon un autre aspect de la présente invention, les moyens de traitement sont configurés pour discriminer la nature de l'évènement fugace en analysant l'amortissement de ladite perturbation. Ceci permet de surveiller tous les phénomènes fugaces et d'indiquer si c'est un FOD ou un évènement aéro-acoustique et permet par conséquent, d'optimiser la planification des opérations de maintenance et de réduire encore davantage leurs coûts. Le système de surveillance comporte des moyens d'alertes pour indiquer l'apparition de l'évènement fugace. Ainsi, le technicien de maintenance peut être informé très rapidement des évènements fugaces, leurs natures et éventuellement, les aubes impactées pour faciliter la maintenance. Avantageusement, les moyens d'acquisition comportent au moins un capteur tip-timing installé au droit de ladite roue aubagée pour acquérir un signal temporel représentatif d'un temps de passage courant entre les aubes. La présente invention exploite la méthode de tip-timing (utilisé habituellement dans les bancs d'essais) pour l'utiliser de manière embarquée dans un moteur en exploitation afin de comparer le défilement des aubes par rapport à la normale pour pouvoir détecter toute apparition d'un évènement fugace. Ainsi, le capteur tip-timing est utilisé ici pour simplement comparer le passage des aubes à un état de référence plutôt qu'à mesurer des fréquences permettant ainsi, d'optimiser le temps de calcul tout en permettant une détection précise, pertinente, et rapide. Les moyens d'acquisition peuvent comporter une roue phonique solidaire de la roue aubagée et d'un capteur de top tour installé au regard de la roue phonique pour fournir une référence angulaire des aubes de ladite roue aubagée. En variante, la roue aubagée comporte une aube présentant une singularité et le capteur tip-timing est configuré pour fournir une référence angulaire des aubes de ladite roue aubagée. Ceci permet de supprimer l'utilisation d'une roue phonique et d'un capteur de top tour et donc d'optimiser le volume et la masse du moteur. Avantageusement, le capteur tip-timing est configuré pour mesurer le régime moteur de l'aéronef. Ainsi, le capteur tip-timing peut aussi remplacer un dispositif de mesure de régime permettant d'optimiser encore davantage le bilan de masse de l'aéronef.
Le capteur tip-timing peut aussi être configuré pour mesurer des éventuelles déflections au sommet des aubes et les moyens de traitement peuvent être configurés pour surveiller le bon état des aubes en fonction des mesures réalisées par ledit capteur tiptiming. Ainsi, le capteur tip-timing peut être utilisé de manière efficace pour surveiller le bon état des aubes. Avantageusement, le capteur tip-timing est de type capacitif et/ou à courants de Foucault. Ce genre de capteurs sont précis, robustes et peu encombrants. Les moyens de traitement peuvent être intégrés dans un boîtier spécifique ou dans un boîtier électronique existant.
L'invention vise aussi un procédé de surveillance d'un évènement fugace sur une roue aubagée d'un moteur d'aéronef, comportant les étapes suivantes . - acquérir un signal temporel relatif à des 20 aubes mobiles de la roue aubagée, détecter une perturbation dudit signal temporel par rapport à un signal temporel de référence correspondant à une même phase de vol, le signal temporel perturbé étant représentatif d'un évènement 25 fugace sur ladite roue aubagée. L'invention vise également un programme d'ordinateur comportant des instructions de code pour la mise en oeuvre du procédé selon les caractéristiques ci-dessus lorsqu'il est exécuté par ordinateur. 30 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférentiels de l'invention faits en référence aux figures jointes parmi lesquelles : La Fig. 1 illustre de manière schématique un système de surveillance d'un évènement fugace sur une roue aubagée d'un moteur d'aéronef, selon l'invention ; La Fig. 2 illustre de manière schématique une roue phonique couplée à la roue aubagée du système de surveillance de la Fig. 1 ; et La Fig. 3 est un organigramme selon un mode de réalisation particulier de l'invention illustrant les étapes d'un procédé de surveillance d'un évènement fugace sur une roue aubagée d'un moteur d'aéronef, selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est d'exploiter les perturbations d'un signal temporel lors d'un évènement fugace. La Fig. 1 illustre de manière schématique un système de surveillance 1 d'un évènement fugace sur une roue aubagée (ou aubage) 3 d'un moteur 5 d'aéronef, selon l'invention. Ce système 1 comporte des moyens d'acquisition 7 de données, des moyens d'alertes 9, et des moyens de traitement 11 tel qu'un calculateur ou un ordinateur comprenant des moyens de calcul 13 et des moyens de stockage 15. Les moyens de traitement 11 sont configurés pour exécuter un programme d'ordinateur comprenant des instructions de code conçues pour mettre en oeuvre un algorithme d'acquisition, de traitement de signal, d'analyse, et d'alerte selon le procédé de surveillance de l'invention. Les moyens de traitement 11 peuvent être intégrés dans un boîtier spécifique ou dans un boîtier électronique existant. Par exemple, les moyens de traitement 11 peuvent faire partie du calculateur ou plus particulièrement, du dispositif de régulation numérique du moteur ECU (Engine control unit). Conformément à l'invention, les moyens d'acquisition 7 sont configurés pour acquérir un signal temporel S1 relatif à des aubes 31 mobiles d'une roue aubagée 3, par exemple la roue aubagée de la soufflante (Fan) ou de toute autre roue aubagée du moteur 5. En outre, les moyens de traitement 11 sont configurés pour détecter une perturbation du signal temporel S1 par rapport à un signal temporel de référence SO correspondant à une même phase de vol. On notera que le signal temporel de référence SO est un signal temporel sain préenregistré selon le même contexte ou mode de fonctionnement courant du moteur 5. L'apparition d'un choc ou un tout autre évènement fugace sur la roue aubagée 3 engendre une vibration sur une ou plusieurs aubes 31 qui modifie ou perturbe le signal temporel S1. Ainsi, le signal temporel perturbé résultant est une représentation qui donne des informations sur l'évènement fugace survenu sur la roue aubagée 3. Par conséquent, lorsque les moyens de traitement 11 détectent un signal temporel perturbé, une alerte indiquant l'apparition de l'évènement fugace est envoyée aux moyens d'alertes 9 ou de sortie (comprenant par exemple, des moyens sonores et/ou de visualisation). De même, des messages à envoyer ou à tenir à disposition de la maintenance peuvent être déclenchés par la détection de l'évènement fugace. Avantageusement, le système de surveillance 1 utilise une technique de « tip-timing » pour détecter les évènements fugaces. Habituellement, cette technique est utilisée dans les bancs d'essais pour mesurer les vibrations des aubes mobiles à partir de l'espace fixe. Ainsi, conformément à l'invention, les moyens d'acquisition 7 intégrés dans le moteur 5 d'aéronef en exploitation, comportent au moins un capteur tip-timing 71 installé sur le carter du moteur 5 au droit de la roue aubagée 3 pour acquérir le signal temporel SO ou S1. Plus particulièrement, le capteur tip-timing 71 détecte et compte le passage des aubes 31 par rapport à une base de temps. Ainsi, le capteur tip-timing 71 peut mesurer le temps de passage courant entre les aubes 31 par rapport à un point de référence. En fonctionnement normal, sans vibrations, les aubes 31 vont passer devant le capteur tip-timing 71 de manière régulière et l'intervalle de temps At mesuré entre le passage de deux aubes consécutives est constant à régime donné. Ainsi, lorsque le moteur 5 est neuf (ou réparé), on réalise une ou plusieurs acquisitions pour définir un signal temporel de référence SO comme une base de référence moteur sain pour chacune des phases de vol de l'aéronef. En temps réel, les moyens de traitement 11 comparent le signal temporel S1 de la roue aubagée 3 dans la phase de vol dans laquelle elle se trouve par rapport au signal temporel de référence correspondant, afin de détecter toute éventuelle perturbation du signal. La perturbation se traduit par une modification de la position de l'aube au moment où elle passe devant le capteur 71 par rapport à sa position de référence ce qui est indicatif d'un évènement fugace. Avantageusement, les moyens d'acquisition 7 comportent plusieurs capteurs tip-timing 71 installés au droit de la roue aubagée 3. Le nombre de capteurs 71 augmente la capacité de détection. En particulier, s'il se trouve qu'en fonctionnement normal, l'aubage 3 vibre à un régime donné, la ou les aube(s) concernée(s) aura(auront) à ce régime non plus un instant mais une zone de passage correspondant à la vibration. Ainsi, si la vibration est harmonique, l'aube sera toujours dans la même position lorsqu'elle passe devant le capteur 71 et par conséquent, dans le cas d'un unique capteur, la vibration ne sera pas perçue dans l'absolu, sans comparaison au signal de référence S0. Pour pallier cet inconvénient, on utilise avantageusement, un deuxième capteur tip-timing 71 dont la localisation angulaire est autre qu'à 180° du premier capteur. Selon un aspect avantageux de la présente 30 invention, les moyens de traitement 11 sont configurés pour discriminer la nature de l'évènement fugace en analysant l'amortissement de la perturbation. En effet, en cas de choc sur une aube, celle-ci vibre sur ces modes propres, cette vibration s'amortit en quelques tours moteurs. Toutefois, en cas de vibration entretenue sur une ou plusieurs aubes, la vibration peut persister sur plusieurs tours moteur. Ainsi, les moyens de traitement 11 sont configurés pour indiquer que l'évènement fugace est un FOD si la perturbation s'amortit au bout d'un nombre déterminé de tours de la roue aubagée 3. Dans le cas contraire, c'est-à-dire si la perturbation ne s'amortit pas au bout du nombre déterminé de tours, les moyens de traitement 11 indiquent que l'évènement fugace est un phénomène aéro-acoustique. Selon un autre aspect avantageux de la présente invention, les moyens de traitement 11 sont configurés pour analyser le signal temporel perturbé par rapport à une référence angulaire pour identifier la(les) aube(s) en vibration ou impactée(s) de la roue aubagée. La référence angulaire peut être fournie par un capteur de « top-tour » installé au regard d'une roue phonique solidaire de la roue aubagée.
En effet, la Fig. 2 illustre une roue phonique 17 couplée à la roue aubagée 3. La roue phonique 17 est solidaire de l'arbre 19 du moteur, lui-même solidaire de la roue aubagée 3 et tourne donc à la même vitesse que cette dernière. Une des dents 171 de la roue phonique 17 présente une forme différente des autres (par exemple, plus longue) pour permettre au capteur 12 du top tour d'avoir une référence angulaire. Plus particulièrement, la Fig. 2 illustre le signal T1 de la roue phonique 17 avec une impulsion de top tour T12 en correspondance avec le signal temporel S1 issu d'un capteur tip-timing 71. En comparant les deux signaux, les moyens de traitement 11 peuvent identifier avec une grande précision l'aube en vibration 311 (par exemple, impactée par un FOD).
On notera que le moteur 5 comporte de manière habituelle, une roue phonique 17 pour mesurer le régime moteur avec un capteur 21 de top tour afin d'identifier des balourds. Ainsi, le système de surveillance selon l'invention exploite la roue phonique existante avec son top tour pour identifier l'aube impactée. En variante, la référence angulaire peut être générée par un des capteurs tip-timing 71 et une singularité sur une aube de la roue aubagée elle-même. Cette singularité peut correspondre à une aube présentant une longueur ou une largeur différente des autres aubes, ou ayant une forme spécifique ou un matériau rapporté spécifique, etc.). Avantageusement, un des capteurs tip-timing 71 peut aussi être utilisé pour mesurer le régime moteur de l'aéronef. De plus, le capteur tip-timing 71 peut être utilisé pour mesurer des éventuelles déflections ou jeux au sommet des aubes 31. Ceci permet aux moyens de traitement 11 de surveiller le bon état des aubes 31 en fonction des mesures réalisées par le capteur tiptiming 71.
A titre d'exemple, le capteur tip-timing 71 peut être de type capacitif. Les capteurs capacitifs sont robustes, précis, peu encombrant et ne nécessitent pas de nettoyages spécifiques.
Selon un autre exemple, le capteur tip-timing 71 peut être un capteur à courants de Foucault qui est aussi très robuste, très précis, et peu encombrant. La Fig. 3 est un organigramme illustrant un exemple d'un procédé de surveillance d'un évènement fugace sur une roue aubagée 3 d'un moteur 5 d'aéronef, selon l'invention. Les étapes E1 à E4 concernent la détermination d'un signal temporel SO ou S1 selon le mode de fonctionnement courant du moteur 5.
Plus particulièrement, à l'étape E1 les moyens de traitement 11 calculent le régime moteur N et l'accélération ou la décélération dN/dt à partir des mesures acquises par un dispositif 23 de mesure de régime. Ce dispositif 23 peut correspondre à un capteur de 21 top tour en association avec une roue phonique 17 ou un capteur tip-timing 71 en association avec une singularité sur une aube de la roue aubagée 3. A l'étape E2, les moyens de traitement 11 identifient la phase courante de vol (ou le mode de fonctionnement courant du moteur) à partir des données sur le régime et l'accélération du moteur ainsi que d'autres paramètres de vol comportant l'altitude et l'attitude de l'aéronef reçues depuis une centrale de référence inertielle ADIRS (Air data and inertial reference system) 25 de l'aéronef.
On notera qu'un moteur embarqué fonctionne toujours de la même façon selon des phases de vol bien définies comportant les phases suivantes : démarrage moteur, taxi, décollage, montée, croisière, approche, atterrissage, reverse, et arrêt moteur. Ainsi, on peut facilement identifier les modes de fonctionnent du moteur par des indicateurs assez simples selon des critères élémentaires tels que le régime moteur, l'altitude, et les attitudes de l'aéronef.
A l'étape E3, les moyens de traitement 11 réalisent un traitement de tip-timing à partir des données acquises par le ou les capteur(s) tip-timing 71 au (x) droit (s) de la (des) roue (s) aubagée (s) 3. A l'étape E4, les moyens de traitement 11 identifient le signal temporel SO ou S1 relatif à la roue aubagée 3 selon le contexte (c'est-à-dire, en fonction du mode de fonctionnement courant du moteur) A l'étape E5, on indique si on est en mode apprentissage ou en mode détection. Dans le premier cas, on va à l'étape E6 et sinon, on va à l'étape E8. En effet, si on est en mode apprentissage (ou calibrage), les moyens de traitement 11 définissent à l'étape E6 le signal temporel de référence SO correspondant à chacune des phases de vol de l'aéronef.
Ensuite, à l'étape E7, les signaux temporels de référence selon les différents contextes forment une base de références qui est stockée dans les moyens de stockage 15. Ainsi, pour remplir cette base de références, il suffit de signaler à l'algorithme que la mission à venir sera un vol dédié. On notera qu'au cours de la vie du moteur, la base de références ne devrait pas varier sauf s'il y a dégradation ou choc sur une ou plusieurs aubes 31. En revanche, à l'étape E8 (c'est-à-dire, en mode détection ou exploitation), les moyens de traitement 11 comparent en temps réel, le signal temporel S1 de la roue aubagée 3 dans la phase de vol dans laquelle elle se trouve par rapport au signal de référence SO correspondant, afin de détecter une éventuelle perturbation représentative d'un évènement fugace. Par exemple, en cas de choc sur une aube 311, celle-ci vibre sur ces modes propres et la vibration s'amortit en quelques tours moteurs. En cas de vibration entretenue sur une ou plusieurs aubes, la vibration peut persister sur plusieurs tours moteurs. Qu'elle soit entretenue ou pas, cette vibration entraîne une modification de la position de l'aube par rapport au top tour T12 au moment où elle passe devant le capteur tip-timing 71, ce qui permet de l'identifier facilement. Cette identification repose sur la détection de tout intervalle At qui s'écarterait de la normale (c'est-à-dire, de la base de référence), les caractéristiques de celle-ci étant constituées lors des premiers vols sans incident (voir étapes E5-E7) et stockées dans les moyens de stockage 15. A titre d'exemple, la Fig. 2 montre que l'impulsion correspondante à la troisième aube par rapport au top tour T12 est espacée des impulsions précédente et suivante par des intervalles Ott et Ot2 différentes de l'intervalle constant At. Ceci indique clairement que la troisième aube a subi un évènement fugace. Ainsi, le traitement de signal réalisé par les moyens de traitement 11 permet, par comparaison à la base de référence, d'identifier l'anomalie sur l'aube qui a subi un éventuel endommagement et de générer une alerte. En outre, à l'étape E9 les moyens de traitement 11 sont configurés pour discriminer l'aube en oscillations libres (impact d'un FOD) de l'aube en oscillations forcées (phénomène aéro-acoustique). Pour ce faire, l'algorithme suit dans le temps l'aube en oscillations afin de déterminer si l'amplitude du phénomène s'amortit dans le temps jusqu'à disparition ou si elle persiste après un nombre prédéterminé de tours moteur. Ainsi, deux types d'alertes pourront donc être émis : FOD ou phénomène aéro-acoustique. A l'étape E10, les moyens de traitement 11 émettent un message d'alerte via les moyens d'alerte 9 au cas où un évènement fugace a été confirmé. On notera que l'alerte peut être déclenchée par les moyens de traitement 11 au cas où la perturbation du signal temporel S1 dépasse un seuil prédéterminé. En outre, le message d'alerte peut comporter une identification de l'aube(les aubes) éventuellement endommagée(s) ainsi que la nature de l'évènement fugace.