FR2997188A1 - Caracterisation de l'adhesion d'une couche de glace sur une eprouvette - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé et une installation de caractérisation de l'adhésion d'une couche de glace sur une éprouvette (2, 3), le procédé comportant les étapes consistant à : - former une couche de glace sur une éprouvette (2, 3), dans une veine d'essai réfrigérée, - réaliser un essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de ladite couche de glace sur l'éprouvette (2, 3), dans la veine d'essai réfrigérée.
Description
Caractérisation de l'adhésion d'une couche de glace sur une éprouvette La présente invention concerne un procédé de caractérisation de l'adhésion d'une couche de glace sur une éprouvette dans des conditions aéronautiques, ainsi qu'un banc d'essai pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Lors du fonctionnement d'un turbopropulseur en vol, une couche de glace ou de givre peut se former sur les bords d'attaque des pales de l'hélice, ce qui nuit au bon fonctionnement du turbopropulseur. De même, lors du fonctionnement en vol d'un turboréacteur, une couche de glace ou de givre peut se former au niveau de la manche d'entrée d'air de la nacelle, puis se détacher par morceaux. Ces morceaux impactent alors les aubes de la soufflante située directement en aval.
Afin de limiter la formation de glace sur les pales ou sur la manche d'entrée d'air, celles-ci peuvent être recouvertes, en moins en partie, d'un revêtement dit glaciophobe (ou « icephobic ») qui permet de limiter la formation et l'accumulation de glace. Ces revêtements ont en particulier de faibles propriétés d'adhésion avec la glace.
L'utilisation d'un tel revêtement pour recouvrir les bords d'attaque des pales d'une hélice est notamment connue du document EP 2 431 276. Afin d'évaluer les performances de ces revêtements, il est connu de réaliser des essais consistant à générer, dans une veine d'essai, une couche de glace sur une éprouvette recouverte d'un tel revêtement, puis à extraire l'éprouvette de la veine d'essai afin de lui faire subir un essai d'adhérence par centrifugation. Plus particulièrement, l'essai par centrifugation consiste à faire tourner l'éprouvette à une vitesse importante, augmentant progressivement dans le temps, jusqu'à détecter l'instant où la couche de glace se désolidarise de l'éprouvette. La vitesse ainsi atteinte fournit une indication quant à la force d'adhésion de la couche de glace sur l'éprouvette ou quant à la contrainte de cisaillement nécessaire pour parvenir à décoller la couche de glace. Un tel essai ne peut être réalisé directement dans la veine d'essai dans laquelle a été formée la glace. En effet, les blocs de glace se détachant lors de cet d'essai peuvent endommager les parois de la veine. C'est pourquoi les essais par centrifugation sont systématiquement réalisés, en dehors de la veine où la glace a été formée, c'est-à-dire dans un environnement aux conditions thermiques éloignées de celles auxquelles sont normalement soumises les pièces en vol. Dans ce cas, outre la fonte de la glace et son changement de structure, l'échauffement de la glace et de l'éprouvette peut provoquer des dilatations différentielles faussant les résultats obtenus lors des essais. D'une manière générale, il est préférable de réaliser de tels tests dans des environnements aux caractéristiques proches des conditions aéronautiques extrêmes auxquelles sont soumises les pièces en vol (températures basses, par exemple de 0 à - 40°C ; vents forts, par exemple de 20 à 180 m/s). L'invention a notamment pour but d'apporter une solution 20 simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un procédé de caractérisation de l'adhésion d'une couche de glace sur une éprouvette, comportant les étapes consistant à: - former une couche de glace sur une éprouvette, par exemple une 25 éprouvette recouverte d'un revêtement dit glaciophobe, dans une veine d'essai réfrigérée, - réaliser un essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de ladite couche de glace sur l'éprouvette, dans la veine d'essai réfrigérée. L'essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de la couche 30 de glace sur l'éprouvette est ainsi réalisé dans la veine réfrigérée, c'est-à- dire dans des conditions proches des conditions aéronautiques auxquelles peut être soumise une pièce en vol. De tels essais sont aisément reproductibles et fournissent des résultats relativement fiables. Bien entendu, l'invention est applicable à des éprouvettes recouvertes ou non d'un revêtement glaciophobe.
Selon une caractéristique de l'invention, la glace est formée sur l'éprouvette par pulvérisation d'eau, dans la veine réfrigérée. Le temps et/ou la vitesse de formation de la glace peuvent également être mesurés. De plus, lors de la formation de la couche de glace et lors de l'essai de caractérisation de l'adhésion, un flux d'air froid peut circuler le long de la veine d'essai, de façon à simuler des conditions aéronautiques. Selon une forme de réalisation, on réalise un essai de flexion afin de caractériser l'adhésion de la couche de glace sur l'éprouvette. Selon une autre forme de réalisation, on réalise un essai de compression et/ou de traction afin de caractériser l'adhésion de la couche de glace sur l'éprouvette. De préférence, lors de l'essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de la couche de glace sur l'éprouvette, on détecte visuellement le décollement de la couche de glace, par exemple à l'aide d'une caméra.
Avantageusement, l'éprouvette est préalablement recouverte d'un revêtement glaciophobe, par exemple un revêtement en PTFE. Selon une caractéristique de l'invention, lors de la formation de la couche de glace sur l'éprouvette, on mesure la vitesse et/ou le temps de formation de ladite couche de glace.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on caractérise simultanément l'adhésion d'une couche de glace sur au moins une éprouvette recouverte d'un revêtement glaciophobe et l'adhésion d'une autre couche de glace sur au moins une éprouvette non revêtue et l'on compare ensuite les résultats obtenus pour les deux éprouvettes.
Une telle caractéristique permet de pallier la variabilité des essais et ainsi avoir une meilleure répétabilité de ces essais.
L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisée en ce qu'elle comprend une veine d'essai comportant des moyens de génération d'une couche de glace sur une éprouvette, et des moyens de réalisation d'un essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de ladite couche de glace sur l'éprouvette, montés dans la veine d'essai. L'installation peut comporter des moyens de fixation d'une première extrémité de l'éprouvette et des moyens d'application d'un effort au niveau d'une seconde extrémité de l'éprouvette, de façon à la faire fléchir et à décoller par flexion la couche de glace de l'éprouvette. Dans ce cas, lesdits moyens de fixation peuvent comporter une première butée contre laquelle la première extrémité de l'éprouvette est destinée à venir en appui, et une seconde butée, décalée de la première butée, contre laquelle une autre zone de l'éprouvette est destinée à venir en appui. Un tel montage permet de ne pas sur-contraindre l'éprouvette lors de l'essai de flexion. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective et en coupe longitudinale d'une partie d'une installation selon l'invention, - la figure 2 st une vue de côté de l'installation de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'une partie d'une installation selon une autre forme de réalisation. Les figures 1 et 2 représentent une première forme de réalisation d'une installation 1 servant à caractériser l'adhésion d'une couche de glace sur une ou plusieurs éprouvettes 2, 3.
Cette installation comporte une paroi supérieure 4 et une paroi inférieure 5 sensiblement parallèles, montées fixement dans une veine réfrigérée (non représentée). L'installation 1 est équipée de moyens de génération d'un flux d'air entre les parois 4, 5, cet air étant refroidi par des moyens de réfrigération. L'installation comporte en outre des moyens de pulvérisation de gouttelettes d'eau entre lesdites parois 4, 5.
La paroi inférieure 5 comporte un support 6 en forme générale de disque, monté dans une ouverture de forme correspondante de la paroi inférieure 5. Le support 6 comporte deux trous oblongs 7 ou fentes parallèles et s'étendant longitudinalement, c'est-à-dire selon l'axe des parois 4, 5, traversés par des poussoirs 8 en forme d'équerre. Chaque poussoir 8 est fixé, à une première extrémité, sur un support 9 mû dans la direction longitudinale par une tige d'un vérin (non représenté). En outre, la seconde extrémité 10 de chaque poussoir 8 fait saillie du support 6, en direction de la paroi supérieure 4, dans l'espace 11 situé entre lesdites parois 4, 5.
Deux déflecteurs 12 sont fixés sur la paroi inférieure 5 et situés en regard des secondes extrémités 10 des poussoirs 8. Les déflecteurs 12 sont situés en amont desdites extrémités 10, dans le sens de circulation du flux d'air 13 dans l'espace 11. Plus particulièrement, chaque déflecteur 12 comporte une partie médiane de forme générale triangulaire, servant à dévier le flux d'air en direction de la paroi supérieure 4, et deux extrémités fixées à la paroi inférieure 5. La paroi supérieure 4 comporte également deux trous oblongs 14 ou fentes parallèles et s'étendant longitudinalement. Chaque trou oblong 14 comporte une extrémité amont et une extrémité aval et est traversé par la première extrémité 15 d'une éprouvette 2, 3. Les secondes extrémités 10 des poussoirs 8 sont destinées à venir en appui contre des secondes extrémités 16 des éprouvettes 2, 3. Des butées 17 sont fixées sur la surface externe de la paroi supérieure 4, c'est-à-dire sur la surface tournée du côté opposé à l'espace 11, chaque butée 17 comportant une zone d'appui arrondie tournée vers l'aval. Un capot 18 recouvre les butées 17 et les trous oblongs 14, et est monté sur la surface externe de la paroi supérieure 4. La zone interne du capot 18 est ainsi protégée du flux d'air froid ou des gouttelettes d'eau pulvérisées dans la veine. Par ailleurs, la zone située sous la paroi inférieure 5 est protégée du flux d'air froid et/ou des gouttelettes d'eau par d'autres moyens d'étanchéité, non représentés. Des platines 19 en équerre sont en outre montées sur le capot 18 et dans l'espace interne de ce dernier, au-dessus des trous oblongs 14. Chaque platine 19 comporte une rainure longitudinale 20 dans laquelle est engagé un plot 21 faisant saillie depuis la première extrémité 15 de l'éprouvette correspondante 2, 3. Le fond de chaque rainure 20 forme ainsi une butée pour le plot correspondant 21.
Chaque éprouvette 2, 3 a par exemple la forme d'un parallélépipède, et a une longueur de l'ordre de 250 mm et une section rectangulaire de 10 mm par 7 mm. Le fonctionnement d'une telle installation est le suivant. Lors d'un essai, on cherche par exemple à comparer l'adhésion d'une couche de glace sur une éprouvette 2 recouverte d'un revêtement glaciophobe, dite ci-après première éprouvette 2, et l'adhésion d'une couche de glace sur une éprouvette 3 non recouverte d'un tel revêtement, dite ci-après seconde éprouvette 3. La seconde éprouvette 3 sert alors de référence aux résultats obtenus pour la première éprouvette 2.
Pour réaliser un tel essai, on monte d'abord chaque éprouvette 2, 3 dans la veine, en introduisant sa première extrémité 15 dans le trou oblong 14 correspondant et son plot 21 dans la rainure 20 correspondante, de manière à ce que le plot 21 soit en appui contre le fond de la rainure 20 et que l'éprouvette 2, 3 soit en appui contre la surface arrondie de la butée 17 correspondante. Chaque éprouvette 2, 3 est ainsi suspendue verticalement. Chaque poussoir 8 peut en outre venir au contact de la seconde extrémité 16 de l'éprouvette 2, 3 correspondante, sans appliquer d'effort sur l'éprouvette 2, 3. On forme ensuite une couche de glace sur chaque éprouvette 2, 3, par pulvérisation de gouttelettes d'eau dans l'espace 11 réfrigéré, en faisant circuler un flux d'air 13 dans cet espace 11. La vitesse de ce flux d'air 13 est par exemple de l'ordre de 180 m/s et la température dans l'espace 11 est par exemple de l'ordre de -40°C. Pendant ce temps, on mesure la vitesse de formation de la glace sur chaque éprouvette 2, 3 ainsi que l'épaisseur de la couche de glace ainsi formée, à l'aide d'au moins une caméra (non représentée). Lorsqu'une couche suffisante est formée sur chaque éprouvette 2, 3, par exemple une couche d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 20 mm, on procède ensuite à un essai de flexion, visant à caractériser l'adhésion de ladite couche de glace sur chaque éprouvette 2, 3, directement dans la veine d'essai réfrigérée. Pour cela, à l'aide des poussoirs 8 et des vérins correspondants, on applique un effort sur la seconde extrémité 16 de chaque éprouvette 2, 3, de manière à la faire fléchir. L'effort appliqué croît progressivement au fil du temps. Parallèlement, on mesure la déformée de chaque éprouvette 2, 3 et on détecte le décollement de la couche de glace correspondante. On compare ensuite les efforts exercés par les vérins sur les éprouvettes 2, 3 et/ou les déformées des deux éprouvettes 2, 3, nécessaires pour obtenir un décollement des couches de glace. L'éprouvette 3 dépourvue de revêtement glaciophobe sert alors d'étalon ou de référence permettant de comparer plus facilement les résultats obtenus pour l'éprouvette 2 recouverte d'un tel revêtement. Un tel essai permet d'obtenir, au final, une indication sur l'effort d'adhésion de la couche de glace sur chaque éprouvette 2, 3 et/ou sur la contrainte de cisaillement nécessaire pour décoller la couche de glace.
Il est également possible de faire travailler les éprouvettes 2, 3, non pas de façon statique, mais en fatigue. Pour cela, l'effort appliqué par les poussoirs 8 sur les éprouvettes 2, 3 peut varier de manière cyclique dans le temps. Selon une autre forme de réalisation, l'essai de caractérisation n'est pas un essai de flexion, mais un essai de traction et/ou un essai de compression. Pour cela, les extrémités 15, 16 de chaque éprouvette 2, 3 sont montées dans des mors ou des brides 22 qui permettent d'appliquer un effort de compression 23 et/ou un effort de traction 24 sur les éprouvettes, comme cela est représenté à la figure 3. Comme précédemment, il est possible de faire travailler les éprouvettes 2, 3, soit de façon statique, soit en fatigue (c'est-à-dire en les soumettant à des efforts de compression 23 et/ou de traction 24 variant de manière cyclique dans le temps). Cette forme de réalisation permet également d'obtenir une indication sur l'effort d'adhésion de la couche de glace sur chaque éprouvette 2, 3 et/ou sur la contrainte de cisaillement nécessaire pour décoller la couche de glace. Bien entendu, il est également envisageable de ne pas utiliser d'éprouvette de référence 3.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation de l'adhésion d'une couche de glace sur une éprouvette (2, 3), comportant les étapes consistant à: - former une couche de glace sur une éprouvette (2, 3), dans une veine d'essai réfrigérée, - réaliser un essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de ladite couche de glace sur l'éprouvette (2, 3), dans la veine d'essai réfrigérée.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la glace est formée sur l'éprouvette (2,
- 3) par pulvérisation d'eau, dans la veine réfrigérée. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lors de la formation de la couche de glace et lors de l'essai de caractérisation de l'adhésion, un flux d'air froid (13) circule le long de la veine d'essai.
- 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on réalise un essai de flexion afin de caractériser l'adhésion de la couche de glace sur l'éprouvette (2, 3).
- 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on réalise un essai de compression et/ou de traction afin de caractériser l'adhésion de la couche de glace sur l'éprouvette (2, 3).
- 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, lors de l'essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de la couche de glace sur l'éprouvette (2, 3), on détecte visuellement le décollement de la couche de glace, par exemple à l'aide d'une caméra.
- 7. Procédé selon l'une des revêtements 1 à 6, caractérisé en ce que l'éprouvette (2) est préalablement recouverte d'un revêtement glaciophobe, par exemple en PTFE.
- 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lors de la formation de la couche de glace sur l'éprouvette (2, 3), on mesure la vitesse et/ou le temps de formation de ladite couche de glace.
- 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on caractérise simultanément l'adhésion d'une couche de glace sur au moins une éprouvette (2) recouverte d'un revêtement glaciophobe et l'adhésion d'une autre couche de glace sur au moins une éprouvette non revêtue et en ce que l'on compare ensuite les résultats obtenus pour les deux éprouvettes (2, 3).
- 10. Installation (1) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une veine d'essai comportant des moyens de génération d'une couche de glace sur une éprouvette (2, 3), et des moyens de réalisation d'un essai mécanique de caractérisation de l'adhésion de ladite couche de glace sur l'éprouvette (2, 3), montés dans la veine d'essai.
- 11. Installation (1) selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de fixation (19, 20, 21, 17) d'une première extrémité (15) de l'éprouvette (2, 3) et des moyens d'application d'un effort (8, 9) au niveau d'une seconde extrémité (16) de l'éprouvette (2, 3), de façon à la faire fléchir et à décoller par flexion la couche de glace de l'éprouvette (2, 3).
- 12. Installation (1) selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdits moyens de fixation comportent une première butée (20, 21) contre laquelle la première extrémité (15) de l'éprouvette (2, 3) est destinée à venir en appui, et une seconde butée (17), décalée de la première butée (20, 21), contre laquelle une autre zone de l'éprouvette (2, 3) est destinée à venir en appui.
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