FR2937304A1 - Actionneur de gouverne d'aeronef a refroidissement statique. - Google Patents

Abstract

Un actionneur électrique (1), électrohydraulique ou électromécanique, de gouverne d'aéronef est équipé d'un dispositif évaporateur-condenseur (2). Le dispositif évaporateur-condenseur comporte un évaporateur (21) solidaire de parties de l'actionneur (1) dissipatrices d'énergie sous forme de chaleur, moteurs ou électronique de puissance, comporte un condenseur (23) séparé sur un plan thermique des parties de l'actionneur (1) dissipatrices d'énergie sous forme de chaleur, solidaire de structures absorbant l'énergie restituée sous forme de chaleur, et au moins une tuyauterie (22) reliant l'évaporateur et le condenseur, dans lequel l'évaporateur (21), le condenseur (23) et la ou les tuyauteries (22) forment une enceinte close comportant un fluide en équilibre entre une phase vapeur et une phase liquide, le fluide circulant dans la tuyauterie sous forme vapeur entre l'évaporateur (21) et le condenseur (23) et sous forme liquide entre le condenseur et l'évaporateur.

Description

ACTIONNEUR DE GOUVERNE D'AÉRONEF A REFROISSEMENT STATIQUE

La présente invention appartient au domaine des actionneurs de puissance des aéronefs. Plus particulièrement l'invention concerne un actionneur électrohydraulique ou électromécanique de puissance mis en oeuvre pour l'actionnement de gouvernes de commande de vol.

Les aéronefs en général et les avions modernes en particulier sont, pour assurer leurs contrôles en vol, pourvus de gouvernes le plus souvent mues par des actionneurs de puissance en raison des efforts à exercer pour déplacer ces gouvernes dés lors que l'aéronef est relativement gros et lourd.

Depuis de nombreuses années des actionneurs hydrauliques sont mis en oeuvre sur les aéronefs en raison de leurs faibles encombrements par rapport à la force, la puissance et l'amplitude des mouvements qu'ils permettent. Ce type d'actionneurs utilise comme source de puissance un fluide hydraulique sous haute pression en circuit fermé, mis en pression par des pompes centralisées et distribuées par des canalisations hydrauliques aux différents actionneurs de l'aéronef. L'inconvénient de ce type d'actionneur vient en particulier des contraintes d'installation et de fonctionnement du système hydraulique. Les canalisations et le fluide hydraulique qu'elles contiennent représentent une masse non négligeable malgré les réductions de leurs sections qu'ont permis les augmentations des pressions de fonctionnement sur certains avions. Les canalisations doivent être installées en respectant des règles contraignantes, longueur minimales des canalisations, rayons de courbure minimum ..., pour limiter en particulier les pertes de charges et donc l'efficacité globale du système hydraulique. En outre, en exploitation, les canalisations sont des sources de fuites tant au niveau des raccords de canalisations qu'au niveau des sections de canalisations qui restent vulnérables en cas d'endommagement. Afin de palier au moins en partie à ces inconvénients, les actionneurs 2 hydrauliques sont sur certains avions remplacés par des actionneurs électrohydrauliques ou électromécaniques qui sont alimentés en puissance par de l'énergie électrique. L'énergie électrique est beaucoup plus facile à transporter, en particulier les 5 contraintes de cheminement des câbles électriques sont beaucoup moins contraignantes que celles des canalisations hydrauliques. Les actionneurs électrohydrauliques ou électromécaniques ont cependant l'inconvénient de dégager localement beaucoup plus d'énergie sous forme de chaleur que les actionneurs hydrauliques, dont la génération hydraulique est 10 déportée et qui sont refroidis en partie par le fluide hydraulique sous pression qui circule entre les pompes et les actionneurs. En raison de cette tendance à l'échauffement les actionneurs électrohydrauliques ou électromécaniques des aéronefs sont refroidis par convection quelque fois naturelle mais plus souvent forcée de l'air ambiant. 15 Ce mode de refroidissement, nécessaire pour garantir que l'actionneur sera maintenu dans toutes les conditions de vol et pendant toute la durée du vol dans des plages de températures considérées comme acceptables pour ne pas induire de panne ou diminuer la fiabilité, implique des arrangements particuliers tant au niveau de l'actionneur que de l'aéronef. 20 Au niveau de l'actionneur il est nécessaire de prévoir des radiateurs associés aux parties les plus chaudes de l'actionneur avec des ailettes de refroidissement pour augmenter les échanges thermiques avec l'air. Au niveau de l'aéronef il est nécessaire de prévoir des moyens de prélèvement de l'air extérieur et d'acheminement de l'air prélevé avec un débit 25 suffisant sur les radiateurs de chaque actionneur. Ce type de refroidissement s'avère donc pénalisant, d'autant plus dans le cas de structures en matériaux composites à base de carbone qui sont de plus mauvaises conductrices de la chaleur et qui ne participent donc pas ou peu au refroidissement de l'actionneur, fixé à de telles structures, par conduction. 30 La présente invention apporte une solution performante au refroidissement des actionneurs électrohydrauliques et électromécaniques en incorporant aux dits actionneurs des moyens d'évacuation de la chaleur par fluide caloporteur à changement de phase. 3 Un actionneur électrique de gouverne d'aéronef suivant l'invention, c'est à dire un actionneur qui comporte au moins un moteur électrique de génération de la puissance mécanique ou hydraulique de l'actionneur, est refroidi par un dispositif évaporateur-condenseur.

Le dispositif évaporateur-condenseur comporte un évaporateur solidaire de parties de l'actionneur dissipatrices d'énergie sous forme de chaleur, comporte un condenseur séparé sur un plan thermique des parties de l'actionneur dissipatrices d'énergie sous forme de chaleur et au moins une tuyauterie reliant l'évaporateur et le condenseur.

Pour réaliser le transfert de chaleur, l'évaporateur, le condenseur et la ou les tuyauteries forment une enceinte close comportant un fluide en équilibre entre une phase vapeur et une phase liquide, le fluide circulant dans la tuyauterie sous forme vapeur entre l'évaporateur et le condenseur et sous forme liquide entre le condenseur et l'évaporateur.

Pour assurer un contrôle thermique des différentes zones de l'actionneur dissipatrices de chaleur, l'évaporateur comporte deux ou plusieurs sous-évaporateurs, chaque sous-évaporateur étant associé à une partie de l'actionneur dissipatrice d'énergie sous forme de chaleur. Avantageusement au moins un sous-évaporateur est associé à une 20 électronique de contrôle en raison de la sensibilité de la fiabilité des composants électroniques à la température de fonctionnement. Afin de diminuer le nombre d'éléments pouvant être à l'origine de pannes, avantageusement le fluide en phase liquide circule entre le condenseur et l'évaporateur sous l'effet de forces de capillarité. 25 Cependant dans des situations où le fonctionnement par capillarité ne serait pas garanti ou suffisant, une pompe assure la circulation du fluide en phase liquide entre le condenseur et l'évaporateur. Pour dissocier sans difficulté le condenseur de l'évaporateur solidaire de l'actionneur, en particulier pour les opérations de montage et d'entretien, chaque 30 tuyauterie comporte avantageusement un raccord étanche permettant de séparer le condenseur de l'évaporateur sans perte significative du fluide. Le condenseur est conformé pour être fixé sur une structure d'une zone de l'aéronef dans laquelle l'actionneur doit être installé. La structure est utilisée comme source froide du condenseur et est avantageusement choisie pour ses 4 possibilités à dissiper l'énergie thermique dans l'environnement. Une telle structure est avantageusement une structure voisine de l'actionneur, par exemple une potence structurale suffisamment massive telle qu'une potence de fixation de la gouverne.

La description et les dessins d'un mode particulier de réalisation de l'invention, permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. Il est clair que cette description est donnée à titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif. Dans les dessins : la figure 1 illustre de façon schématique le principe de l'actionneur à refroidissement statique et ses composants principaux ; la figure 2 montre en perspective sur une vue partielle d'une structure d 'aéronef écorchée une installation d'un actionneur dans le cas d'une gouverne aérodynamique.

Comme illustré sur la figure 1, suivant l'invention un actionneur électrique 1, c'est à dire un actionneur électrohydraulique ou un actionneur électromécanique, de gouverne d'aéronef comporte outre ses moyens d'actionnement et de gestion 20 d'alimentation électrique 11 un dispositif évaporateur-condenseur 2 d'un fluide en circuit fermé pour transporter la chaleur depuis des parties chaudes de l'actionneur vers des sources froides extérieures à l'actionneur. Un actionneur électrohydraulique, dit EHA, regroupe dans un équipement au moins une pompe hydraulique entraînée par un moteur électrique et au moins un 25 actionneur hydraulique raccordé à la pompe hydraulique. Un actionneur électromécanique, dit EMA, regroupe dans un même équipement au moins un actionneur mécanique et au moins un moteur électrique d'entraînement couplé audit actionneur mécanique. Ces actionneurs EHA et EMA sont connus, leur fonctionnement détaillé 30 n'entre pas dans le cadre de la présente invention, et sont le cas échéant associés à une électronique de contrôle intégrée qui gère l'actionneur et en particulier la puissance électrique apportée au moteur électrique. Le dispositif évaporateur-condenseur 2 comporte une première partie, dite évaporateur 21, lequel évaporateur est placé au niveau de zones d'émission de 10 15 chaleur de l'actionneur 1. Le dispositif évaporateur-condenseur 2 comporte une seconde partie, dite condenseur 23, lequel condenseur est placé dans une zone distante des zones d'émission de chaleur de l'actionneur 1 5 Le dispositif évaporateur-condenseur 2 comporte également au moins une tuyauterie 22 reliant l'évaporateur 21 et le condenseur 23. L'évaporateur 21, le condenseur 23 et la ou les tuyauteries 22 forment une cavité hermétique dans laquelle se trouve un fluide en équilibre de phases entre une phase liquide et une phase vapeur.

Dans un tel dispositif lorsque les conditions de remplissage de la cavité en fluide (pression et volume), le type de fluide et les températures de fonctionnement sont accordées, le fluide en phase liquide dans l'évaporateur passe en phase vapeur en absorbant une énergie, apporté par une source de chaleur, fonction de sa chaleur latente de vaporisation et le fluide en phase vapeur dans le condenseur passe en phase liquide en restituant l'énergie de changement de phase correspondante à une source absorbant la chaleur dégagée. Dans un régime de fonctionnement équilibré, la vapeur circule dans la ou les tuyauteries 22 de l'évaporateur 21, producteur de vapeur, vers le condenseur 23 sous l'effet de la différence de pression de la phase vapeur entre ces deux éléments et le liquide circule entre le condenseur 23, producteur de liquide, vers l'évaporateur 21 sous l'effet de forces de gravité ou de forces de capillarité ou d'une pompe. Dans un mode de réalisation préféré sur un aéronef qui ne permet pas de garantir le fonctionnement par gravité, le fonctionnement par capillarité est préféré ce qui est obtenu en disposant dans la ou les tuyauteries 22 des éléments capillaires (rainures de capillarité dans les parois des tuyauteries, mousses ...). Dans des cas d'installation qui ne garantissent pas le fonctionnement du dispositif évaporateur-condenseur par gravité ou par capillarité, une pompe, avantageusement une pompe électrique de faible puissance, assure la circulation du fluide en phase liquide depuis le condenseur vers l'évaporateur. De manière générale, dans un actionneur électrique les principales sources de chaleurs sont d'une part les composants électrotechniques de puissance : moteurs électriques, électroaimants, ... et d'autre part les composants électroniques. 6 Dans un mode de réalisation l'évaporateur 21 est réparti en deux ou plusieurs sous-évaporateurs 21a, 21b, reliés entre eux également par des tuyauteries à effet capillaire ou autre, chaque sous-évaporateur étant associé à un composant ou à un ensemble de composants de l'actionneur source de chaleur.

Par exemple un sous-évaporateur 21a est associé à un moteur électrique de l'actionneur pour évacuer la chaleur dudit moteur et un sous-évaporateur 21b est associé à une électronique de contrôle de l'actionneur pour évacuer la chaleur de ladite électronique de contrôle. Lorsque l'agencement des composants de l'actionneur 1 peut être choisi, 10 avantageusement les composants sources de chaleur sont regroupés autour d'un seul évaporateur 21. Dans toutes les solutions envisagées, le ou les évaporateurs sont intimement fixés aux sources de chaleur afin de garantir le meilleur transfert de l'énergie thermique. 15 Par exemple dans le cas d'un actionneur existant qui serait transformé conformément à l'invention les radiateurs à ailettes conventionnels assurant le refroidissement par convection forcée sont retirés et remplacés par des évaporateurs 21 utilisant les mêmes surfaces de contact thermique. A l'opposé du circuit de l'évaporateur-condenseur, le condenseur 23 est 20 agencé à distance des composants générateurs de chaleur. La distance peut être réduite mais le condenseur 23 est maintenu sans contact direct avec les dits composants sources de chaleur. En pratique la géométrie du condenseur est variable afin que ledit condenseur soit fixé sur une structure, aussi proche que possible de l'actionneur, 25 apte à servir de source froide et à dissiper l'énergie thermique apportée par le condenseur. La figure 2 illustre un exemple d'installation dans une structure d'avion d'un actionneur suivant l'invention. Dans l'exemple illustré une gouverne aérodynamique 4, par exemple un 30 aileron, est articulé sur un caisson structural 3 de voilure, représenté partiellement sur la figure 2, en arrière d'un longeron ou d'un faux longeron 31 de la voilure. De manière connue la gouverne est articulée au niveau d'axes de rotation 41 déporté en arrière du longeron 31 par des potences structurales 32. L'actionneur 1 qui prend appui à une extrémité sur le longeron 31 et à une 7 autre extrémité sur la gouverne 4 est pourvu d'un évaporateur 21 fixé à l'ensemble 11 électrique et électronique de l'actionneur 1, en contact intime avec les sources de chaleur de l'actionneur dont la température en fonctionnement doit être contrôlée.

Par ailleurs, le condenseur 23 est déporté et fixé à une des potences structurales 32 dont la masse et les fixations à d'autres structures (longeron ou faux longeron de voilure et gouverne en particulier) forme une source froide capable de dissiper l'énergie thermique apportée par le condenseur. Pour des raisons pratique la ou les tuyauteries 22 entre l'évaporateur 21 et le condenseur 23 comporte des moyens de connexion-déconnexion rapide, non représentés, sans fuite pour éviter la perte de fluide lors de déconnexion. La mise en oeuvre de tels moyens de connexion-déconnexion rapide permet d'une part de procéder à des opérations de maintenance exigeant la dépose soit du corps de l'actionneur, soit de l'évaporateur sans nécessiter la dépose simultanée des deux composants, et d'autre part de dissocier, tant pendant la fabrication de l'actionneur que pendant l'assemblage de l'aéronef et que pendant la maintenance en exploitation, le corps de l'actionneur, composant standard généralement en plusieurs exemplaires identiques dans un aéronef, et le condenseur, composant spécifique de l'environnement dans lequel sera installé l'actionneur. Il existe de nombreux fluides permettant de faire fonctionner un dispositif évaporateur-condenseur : hélium, azote, ammoniac, méthanol, eau, mercure ..., mais il est essentiel que le fluide mis en oeuvre respecte non seulement les exigences de sécurité des aéronefs et l'environnement mais également soit adapté aux températures et aux cycles thermiques d'un actionneur électrique. Un actionneur électrique d'aéronef dissipe en chaleur suivant sa puissance nominale une moyenne de un à trois kilowatts en fonctionnement et sa température de surface doit être maintenue en dessous de 100 degrés centigrades.

Pour une telle gamme de température on retient par exemple de l'ammoniac comme fluide dont le domaine de température peut être ajusté entre -70 et +60 degrés centigrades ou encore de l'eau dont le domaine de température peut être ajusté entre +5 et +230 degrés centigrades et qui bénéficie d'une forte chaleur latente d'évaporation. 8 Pour un fonctionnement durable du dispositif évaporateur-condenseur et donc la fiabilité opérationnelle de l'actionneur, il est nécessaire que l'enceinte dudit dispositif soit hermétique et que la diffusion des gaz soit aussi limitée que possible à travers les parois de l'enceinte.

Evaporateurs 21, condenseur 23 et tuyauteries 22 seront avantageusement réalisées dans un matériau répondant à ces exigences tel que du cuivre pur, du nickel ou de l'acier inoxydable.

L'invention permet ainsi de réaliser un actionneur électrohydraulique ou électromécanique dont le contrôle de la température en opération est assuré de manière totalement statique par un transfert des quantités de chaleur généré par le fonctionnement de l'actionneur vers des éléments de structure pouvant être distants et choisis en raison de leur capacité à servir de puits de chaleur et de leur capacité à évacuer la chaleur dans le milieu ambiant de préférence de manière naturelle par convection. Un tel contrôle de la température des composants de l'actionneur, en particulier de ses composants électriques et électroniques augmente la fiabilité de l'actionneur d'un facteur important, de 2 à 5 fois, en raison essentiellement, par rapport aux dispositifs de refroidissement existant, d'une diminution des températures maximales et des gradients de températures des dits composants. Par ailleurs, dans un processus de certification d'aéronef qui exige des démonstrations des performances de refroidissement obtenues (compte tenu de leur impact sur la fiabilité du système de commande de vol) il est possible de démontrer à un stade amont du développement les températures de fonctionnement de l'actionneur et de ses composants refroidis par le système de l'invention en raison de la maîtrise de la définition dudit système. Une telle démonstration amont n'est pas possible avec les systèmes existant de refroidissement par convection qui sont très sensibles à des écoulements aérodynamiques délicats à modéliser avec précision et doivent être validé tardivement par des essais en vols de l'aéronef, souvent de coûteux vols réalisés spécifiquement pour ce besoin, et dont les résultats conduisent parfois à des modifications tardives de la définition de ces systèmes existant dans une phase de mise au point.

9 L'actionneur de l'invention a également l'avantage d'améliorer les performances aérodynamiques de l'aéronef en évitant des traînées parasites induites par les écopes des prises d'air de refroidissement des actionneurs conventionnels ce qui se traduit globalement par une diminution de la consommation de carburant.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1 û Actionneur électrique (1) de gouverne d'aéronef comportant au moins un moteur électrique de génération de la puissance mécanique ou hydraulique de l'actionneur caractérisé en ce qu'un dispositif évaporateur-condenseur (2) comporte un évaporateur (21) solidaire de parties de l'actionneur (1) dissipatrices d'énergie sous forme de chaleur, comporte un condenseur (23) séparé sur un plan thermique des parties de l'actionneur (1) dissipatrices d'énergie sous forme de chaleur et au moins une tuyauterie (22) reliant ledit évaporateur et ledit condenseur, dans lequel l'évaporateur (21), le condenseur (23) et la au moins une tuyauterie (22) forment une enceinte close comportant un fluide en équilibre entre une phase vapeur et une phase liquide, ledit fluide circulant dans la tuyauterie sous forme vapeur entre l'évaporateur (21) et le condenseur (23) et sous forme liquide entre ledit condenseur et ledit évaporateur.
2. 2 - Actionneur suivant la revendication 1 dans lequel l'évaporateur (21) comporte deux ou plusieurs sous-évaporateurs (21a, 21b) chaque sous- évaporateur étant associé à une partie de l'actionneur dissipatrice d'énergie sous forme de chaleur.
3. 3 - Actionneur suivant la revendication 2 dans lequel au moins un sous-évaporateur (21 b) est associé à une électronique de contrôle.
4. 4 - Actionneur suivant l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le fluide en 20 phase liquide circule entre le condenseur (23) et l'évaporateur (21) sous l'effet de forces de capillarité.
5. 5 - Actionneur suivant l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le fluide en phase liquide circule entre le condenseur (23) et l'évaporateur (21) sous l'effet d'une pompe. 25
6. 6 - Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel chaque tuyauterie (22) comporte un raccord étanche permettant de séparer le condenseur (23) de l'évaporateur (21) sans perte significative du fluide.
7. 7 - Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le condenseur (23) est conformé pour être fixé sur une structure d'une zone de 30 l'aéronef dans laquelle ledit actionneur doit être installé.
8. 8 - Actionneur suivant la revendication 7 dans lequel le condenseur est conformé pour être fixé sur une potence structurale (23) de fixation de la gouverne (4).