Brevet FR2980238A1 — publié le 20130322

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement, celui de la lubrification de ces turbomachines. Une turbomachine pour un aéronef comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A chaque compresseur peut correspondre une turbine, les deux étant reliés par un arbre, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. Elle présente généralement, d'une part, sensiblement au niveau de l'extrémité amont du corps haute pression, une "enceinte amont" et d'autre part, sensiblement au niveau de l'extrémité aval du corps haute pression, une "enceinte aval", ces deux enceintes contenant des organes de type roulements et engrenages. Ces enceintes sont baignées dans une atmosphère contenant de l'huile pour la lubrification des différents organes. Par ailleurs un flux de gaz traverse ces enceintes, notamment à des fins de ventilation. Pour éviter que l'huile ne soit transportée par le flux de gaz hors des enceintes, les gaz de ventilation sont évacués via des "déshuileurs" et éjectés par un tube dit de dégazage, généralement au niveau de la tuyère du turboréacteur. L'huile ayant pour fonction de lubrifier les enceintes mais aussi d'évacuer les calories qui s'y trouvent, un ou plusieurs échangeurs de chaleur sont installés sur les turbomachines. Ceux-ci sont couramment du type huile-carburant, l'huile étant alors refroidie par le carburant qui est stocké dans les réservoirs de l'aéronef et qui se trouve à une température relativement basse. Pour des raisons de minimisation de leur masse mais aussi d'optimisation du transfert thermique, ces échangeurs ont des parois particulièrement minces. Dans le cas où une brèche apparaîtrait sur une de ces parois minces, compte tenu des différences dans le niveau de pression des deux fluides, du carburant pourra contaminer l'huile et passer dans le circuit de circulation de celle-ci. Du fait de la température existant dans ce circuit, le carburant se vaporisera alors rapidement et entraînera une augmentation importante de la pression dans les canalisations, avec de possibles risques de surpression dans le réservoir d'huile, qui pourraient aboutir à sa rupture. Des débuts d'incendie pourraient également se produire dans le circuit de ventilation. Diverses solutions ont été imaginées pour résoudre le problème du risque de contamination de l'huile par du carburant. Une première solution consisterait à s'assurer qu'en aucun cas, le carburant ne peut s'écouler dans le circuit de l'huile. Il conviendrait pour cela de modifier l'architecture des systèmes huile/carburant afin que la pression d'huile dans les échangeurs soit supérieure à celle du carburant Ainsi, c'est l'huile qui contaminerait le carburant et le mélange produit serait alors brulé dans la chambre de combustion. Cette solution présenterait en outre l'avantage que la contamination est facilement détectable par la perception d'une odeur d'huile brûlée lors de l'avitaillement entre deux vols. Cette détection ne peut toutefois être assurée que lors des avitaillements, c'est-à-dire avec des intervalles qui peuvent atteindre plusieurs heures. Mais surtout cette solution implique de positionner les échangeurs à des endroits précis, là où la pression d'huile est la plus haute et où la pression carburant est la plus basse. Or cette disposition peut ne pas être une solution optimale d'un point de vue thermique pour les systèmes de régulation. La masse des échangeurs, leur efficacité, leur taille peut alors être excessive et la contrainte de position qui en résulte empêcherait donc de gagner en performances sur le moteur. Une seconde solution consiste à prendre en compte dans le dimensionnement des équipements du système d'huile, les conséquences d'une contamination de l'huile par le carburant. Le réservoir doit alors supporter un sur-remplissage et la surpression qui y est liée, et, par ailleurs, des grilles « pare-feu » doivent être placées à divers endroits afin d'éviter la remontée des flammes éventuelles dans le moteur, par l'intermédiaire du tube de ventilation. Cette deuxième solution a un impact direct sur les équipements en impliquant d'augmenter leur robustesse, et donc leur encombrement et leur masse. Enfin, malgré la disposition de grilles pare-feu, le risque de feu à la sortie du tube de ventilation est toujours présent et peut mener à des détériorations du moteur. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé et un dispositif pour une protection contre les risques liés à une contamination du circuit d'huile d'une turbomachine par du carburant, qui assure une surveillance continue et qui permette une réduction de masse pour les équipements concernés. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour la détection d'une contamination, par un autre fluide, du circuit d'huile d'une turbomachine montée sur un aéronef, ledit circuit d'huile comportant au moins un réservoir muni d'un moyen de mesure de son niveau d'huile, des canalisations reliant ledit réservoir aux divers organes de la turbomachine à lubrifier et au moins un moyen de mise en circulation de l'huile entre ledit réservoir et lesdits organes, ladite turbomachine comportant un moyen de mesure de son régime moteur et un moyen de mesure de la température de l'huile en au moins un point dudit circuit d'huile. Il est caractérisé en ce qu'il comporte une surveillance du niveau d'huile dans le réservoir associée au déclenchement d'une alerte si la décroissance dudit niveau d'huile, mesurée sur un intervalle de temps donné, devient inférieure à une décroissance minimale de consigne. La détection d'une augmentation, ou d'une diminution anormalement faible, du niveau d'huile dans le réservoir indique, hors décélération du moteur ou augmentation de la température de celle-ci, qu'une contamination du circuit d'huile s'est produite et qu'un fluide, vraisemblablement du carburant, a pénétré dans ce circuit. De façon préférentielle le déclenchement de l'alerte est inhibé si une décélération du régime 10 moteur de la turbomachine intervient au cours dudit intervalle de temps. De façon également préférentielle le déclenchement de l'alerte est inhibé si une élévation de la température de l'huile dans le réservoir intervient au cours dudit intervalle de temps. Ces deux solutions alternatives permettent de mettre en oeuvre le procédé pendant toute la durée du vol de l'aéronef et de ne pas limiter celle-ci à la seule phase de la croisière stabilisée. 15 Dans un mode préférentiel de réalisation la décroissance de consigne est remplacée par une croissance, positive ou nulle, sur tout intervalle de temps. Cette solution permet de simplifier le procédé en ne prenant en compte qu'une augmentation du volume d'huile dans le réservoir et en ne tenant pas compte du temps écoulé pendant la surveillance. L'invention porte également sur un calculateur destiné à être monté sur une turbomachine, 20 comportant une entrée susceptible d'être reliée à un capteur indiquant le niveau de l'huile dans un réservoir de ladite turbomachine, et un moyen de calcul de l'évolution du niveau d'huile sur un intervalle de temps donné, caractérisé en ce qu'il délivre une alerte de contamination de l'huile par un autre fluide si la décroissance mesurée du niveau d'huile dans ledit réservoir, sur ledit intervalle de temps, devient inférieure à une décroissance minimale de consigne. 25 De façon préférentielle le calculateur comporte en outre une entrée susceptible de recevoir une information sur le régime moteur de ladite turbomachine et il inhibe le déclenchement de l'alerte si une décélération du régime moteur de la turbomachine intervient au cours dudit intervalle de temps. De façon également préférentielle le calculateur comporte en outre une entrée susceptible de 30 recevoir une information sur la température de l'huile en un point dudit circuit et il inhibe le déclenchement de l'alerte si une élévation de la température de l'huile dans le réservoir intervient au cours dudit intervalle de temps. Dans une version simplifiée le calculateur comporte une entrée susceptible de recevoir une information de mise en croisière et de fin de croisière d'un avion sur lequel est installée ladite turbomachine, et il inhibe le déclenchement de l'alerte en dehors de ladite phase de croisière. L'invention porte enfin sur une turbomachine destinée à être montée sur un aéronef et sur ledit aéronef, l'un ou l'autre comportant un calculateur tel que décrit ci-dessus pour la détection d'une contamination sur le circuit d'huile de la turbomachine. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue générique du circuit d'huile d'une turbomachine, - la figure 2 est une vue schématique de la consommation d'huile par un turboréacteur au cours d'un vol sur un aéronef, et - la figure 3 est un diagramme décrivant les étapes à suivre pour assurer la détection d'une contamination, selon un mode de réalisation de l'invention. En se référant à la figure 1, on voit le circuit de lubrification des enceintes et des boites d'engrenages d'une turbomachine 1. Celle-ci comporte deux enceintes, une enceinte amont 2 et une enceinte aval 3, qui contiennent des roulements et des engrenages associés aux arbres de rotation de la turbomachine. Elle comporte également des boites d'engrenages 4 (représentées au nombre de deux), qui sont utilisées pour assurer l'entraînement des accessoires par la turbomachine. Pour assurer la lubrification de ces enceintes et boîtes d'engrenages, la turbomachine porte un groupe de lubrification 5 qui assure, par l'intermédiaire de pompes et de vannes, la gestion de la circulation de l'huile entre le réservoir principal d'huile 6 et les différents organes, grâce à des canalisations d'amenée 7 et des canalisations de récupération 8. Le groupe 5 prélève de l'huile dans le réservoir 6 via une canalisation d'alimentation 17 et l'envoie, via les canalisations d'amenée 7, vers les divers organes. L'huile est récupérée en partie basse de ces enceintes et boîtiers d'accessoires par les canalisations de récupération 8 qui l'amènent au groupe de lubrification 5, d'où elle est renvoyée par une canalisation de retour 18 au réservoir 6. Sur le trajet de la canalisation de retour 18 l'huile traverse un ou plusieurs échangeurs de chaleur 9 où elle cède ses calories à du carburant en provenance des réservoirs de carburant de l'aéronef. C'est pour la protection de cet échangeur qu'est réalisée la présente invention. Le réservoir d'huile 6 comporte une sonde 10, qui plonge dans l'huile et qui, par l'intermédiaire d'un dispositif de jaugeage (non représenté) permet de connaître en permanence le niveau de l'huile qui se trouve dans ce réservoir. Sur la figure 2 est représentée l'évolution de deux paramètres au cours d'un vol de l'aéronef sur lequel est installée la turbomachine 1. La courbe en pointillés donne l'évolution, en fonction du temps, de l'altitude de l'avion, depuis le décollage, représenté par le point A, jusqu'à l'atterrissage, qui correspond au point D. Le vol se caractérise, tout d'abord par une montée (segment A-B) vers l'altitude de croisière, puis par une phase de croisière montante (segment B- C), l'altitude évoluant de 34000 à 36000 puis à 38000 pieds du fait de l'allègement progressif de l'avion, et enfin par une phase de descente et d'atterrissage (segment C-D). Parallèlement le niveau de l'huile dans le réservoir 6 évolue selon la courbe en traits pleins. Pendant tout le roulage au sol et le décollage, qui correspondent au temps s'écoulant entre l'origine et l'abscisse du point A, le niveau d'huile évolue fortement du fait des évolutions du régime moteur de la turbomachine. Au moment de l'arrivée en croisière et de la réduction du régime moteur le niveau d'huile se fixe au niveau du point B', soit à environ 16 litres. Le régime du moteur restant fixe pendant toute la croisière (sauf pendant les deux très courtes phases de changement de niveau de vol), le niveau d'huile évolue très lentement entre le point B' et un point C' de fin de croisière. Le niveau dans le réservoir 6 passe ainsi de 16 à 14,5 litres, par le seul fait de la consommation d'huile par le moteur. Enfin pendant la phase de descente et d'atterrissage, le régime moteur évolue à nouveau, ce qui génère des évolutions erratiques du niveau d'huile dans le réservoir 6. La figure 3 montre le diagramme de décision selon l'invention amenant au déclenchement d'une alerte faisant suite à une contamination du circuit d'huile par du carburant. Une telle alerte permet de prévenir le pilote de l'aéronef d'un danger lié à un mauvais fonctionnement de la turbomachine et de l'informer qu'il doit effectuer une action particulière, telle qu'elle est a priori définie dans son manuel de vol. La logique de déclenchement de l'alerte comprend les étapes suivantes : - analyse en continu du niveau d'huile dans le réservoir, - détection d'une éventuelle augmentation de ce niveau d'huile ? - si la réponse est positive, celle-ci est-elle couplée à une décélération du régime moteur ?, - si la réponse est négative, la température de l'huile est-elle restée stable ?, - si la réponse est positive, déclenchement de l'alerte. - dans tous les autres cas il n'y a pas déclenchement de l'alerte et le dispositif est remis dans les conditions initiales, c'est-à-dire en surveillance d'une éventuelle augmentation du niveau d'huile. On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif de détection d'une contamination, selon l'invention. L'idée qui est à la base de l'invention consiste à utiliser la mesure d'huile, déjà existante, afin de détecter une contamination de l'huile. En régime stabilisé, ce qui est le cas notamment en croisière sur un avion de ligne, le volume de l'huile présente dans le réservoir 6 ne varie que sous l'effet de sa consommation par le moteur. La consommation typique d'un moteur moderne est de quelques décilitres par heure, alors que la précision de mesure donnée par le capteur 10 et sa chaîne de mesure est généralement de l'ordre du demi-litre Ainsi, sur des échelles de temps inférieures à l'heure, en régime stabilisé, le volume d'huile peut être considéré comme constant. De ce fait on peut en déduire qu'en croisière, une augmentation du niveau d'huile correspond à une contamination de l'huile par du carburant, ou par tout autre fluide avec lequel l'huile pourrait être mise en contact. A la lecture de la figure 2 on constate, à partir d'une courbe représentative d'essais sur un moteur en vol, que : - le niveau d'huile sur la phase stabilisée en croisière, décroit faiblement en fonction du temps, soit avec une baisse typique de niveau de 1 litre en 3 heures, - on observe des variations importantes du niveau d'huile sur les phases transitoires, qui sont liées aux variations du régime moteur au cours de ces phases transitoires, - on observe également des oscillations qui sont dues à la technologie du capteur 10 de mesure du volume d'huile et de sa chaîne de mesure et qui correspondent à des oscillations de la surface de l'huile dans le réservoir 6. Une détection de contamination qui serait basée uniquement sur une augmentation du niveau d'huile ne serait cependant pas parfaite puisque ce niveau varie en fonction du régime du moteur et qu'il évolue également en fonction de sa température. En effet, lorsque le moteur est au plein gaz, de l'huile est piégée dans le moteur, en plus grande quantité que lorsqu'il est au ralenti. A cause de ce phénomène, appelé également « gulping » par l'homme du métier, un réservoir d'huile peut se remplir par le simple effet d'une réduction de la vitesse de rotation du moteur. A contrario, lors d'une forte accélération, au décollage par exemple, le volume d'huile peut chuter du fait du gulping mais il peut également remonter de lui-même sous l'effet de la dilatation thermique, l'huile se réchauffant lors d'une accélération. La détection doit donc tenir compte du comportement du moteur pour que la surveillance soit étendue aux phases transitoires. Pour cela le dispositif associé doit être couplé au capteur du régime moteur et à celui de la température d'huile si l'on veut pouvoir l'utiliser pendant la totalité du vol. Finalement la logique de détection retenue pour l'invention, qui fonctionne aussi bien en transitoire qu'en régime stabilisé, est celle décrite sur la figure 3 : - si une augmentation du niveau d'huile est détectée, le dispositif d'alerte examine si cette augmentation est couplée à une décélération du régime ; si c'est le cas l'alerte est inhibée et le dispositif retourne à sa fonction de détection d'une augmentation du niveau d'huile ; - si ce n'est pas le cas, le dispositif d'alerte analyse la température d'huile pour déterminer si celle-ci varie : - si c'est le cas le dispositif considère que le niveau d'huile évolue pour des raisons d'origine thermique et l'alerte est inhibée ; - si ce n'est le cas, l'alerte est déclenchée et le pilote, ou un système expert, est prévenu qu'il existe une anomalie qu'il faut traiter. Dans une variante améliorée de l'invention, il est envisageable d'étendre le déclenchement de l'alerte au cas d'une décroissance anormalement lente du niveau d'huile dans le réservoir, sans qu'il y ait formellement une hausse de ce niveau. La consommation nominale d'huile étant connue, il est possible de remplacer la détection d'une augmentation du niveau par celle d'une décroissance qui soit inférieure à une décroissance de consigne ; cette décroissance de consigne est choisie comme étant égale, avec des marges, à la décroissance nominale. Si la décroissance du niveau observée est trop faible, cela signifie qu'un fluide étranger s'est introduit dans le circuit d'huile et donc qu'une contamination est intervenue, avec les risques que cela comporte. Dans ce cas la surveillance doit être assurée pendant des temps d'observations préétablis, au bout desquels la mesure de réduction du niveau est calculée. Une relance périodique de la surveillance doit également être mise en place. Les inhibitions de l'alerte sont, quant à elles, décidées si, comme précédemment, soit une réduction du régime, soit une augmentation de la température de l'huile, intervient au cours de l'intervalle de temps considéré. Enfin des versions simplifiées de l'invention peuvent être mises en oeuvre, avec une surveillance qui n'est assurée que pendant la phase de croisière, en faisant l'impasse sur un possible déclenchement d'une contamination pendant les phases de décollage et de montée, ou bien de descente et d'atterrissage. Le dispositif est alors mis en marche ou hors service par une action du pilote ou d'un système expert, indiquant que la croisière a commencé ou s'est achevée. Les avantages apportés par l'invention peuvent se résumer comme suit : Du fait de la surveillance exercée en continue, elle permet de limiter le temps de fonctionnement du moteur en cas de contamination par du carburant. La sécurité de fonctionnement est donc renforcée et les risques de problèmes liés au feu sont fortement réduits. La mise en place de cette surveillance ne se traduit par aucune pénalité en termes de coût, de masse, et de difficulté d'installation des équipements puisqu'elle utilise des capteurs déjà présents pour d'autres fonctions dans le circuit d'huile. Par ailleurs, cette surveillance n'impacte pas le rôle de ces capteurs dans leurs tâches principales. Enfin la mise en place de cette surveillance permet de baisser les spécifications imposées aux équipements du circuit d'huile, en termes de niveaux de pression qu'ils doivent pouvoir supporter. Par exemple, la pression interne pourrait tripler en cas de contamination par du carburant. Une détection précoce par un dispositif selon l'invention permet de ne pas prendre en compte cette contrainte de possible surpression dans la conception des équipements. La résistance de ces derniers peut donc être diminuée et il en est de même pour leur masse et leur coût. Le procédé décrit par l'invention a vocation à être mis en oeuvre sur une turbomachine en étant implanté dans un boîtier de calcul qui est implanté soit directement sur la turbomachine soit sur l'aéronef que la turbomachine propulse. La présente invention porte en conséquence sur tout boîtier ou sur tout type de support physique qui effectue les calculs associés à la mise en oeuvre de ce procédé.25 REVENDICATIONS1. Procédé pour la détection d'une contamination, par un autre fluide, du circuit d'huile d'une turbomachine (1) montée sur un aéronef, ledit circuit d'huile comportant au moins un réservoir (6) muni d'un moyen de mesure (10) de son niveau d'huile, des canalisations (7, 8, 17, 18) reliant ledit réservoir aux divers organes (2, 3, 4) de la turbomachine à lubrifier et au moins un moyen (5) de mise en circulation de l'huile entre ledit réservoir et lesdits organes, ladite turbomachine comportant un moyen de mesure de son régime moteur et un moyen de mesure de la température de l'huile en au moins un point dudit circuit d'huile, caractérisé en ce qu'il comporte une surveillance du niveau d'huile dans le réservoir (6) associée au déclenchement d'une alerte si la décroissance dudit niveau d'huile, mesurée sur un intervalle de temps donné, devient inférieure à une décroissance minimale de consigne. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le déclenchement de l'alerte est inhibé si une décélération du régime moteur de la turbomachine (1) intervient au cours dudit intervalle de temps. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le déclenchement de l'alerte est inhibé si une élévation de la température de l'huile dans le réservoir (6) intervient au cours dudit intervalle de temps. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la décroissance de consigne est remplacée par une croissance, positive ou nulle, sur tout intervalle de temps. 5. Calculateur destiné à être monté sur une turbomachine (1), comportant une entrée susceptible d'être reliée à un capteur (10) indiquant le niveau de l'huile dans un réservoir (6) de ladite turbomachine, et un moyen de calcul de l'évolution du niveau d'huile sur un intervalle de 25 temps donné, caractérisé en ce qu'il délivre une alerte de contamination de l'huile par un autre fluide si la décroissance mesurée du niveau d'huile dans ledit réservoir, sur ledit intervalle de temps, devient inférieure à une décroissance minimale de consigne. 6. Calculateur selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une 30 entrée susceptible de recevoir une information sur le régime moteur de ladite turbomachine et en ce qu'il inhibe le déclenchement de l'alerte si une décélération du régime moteur de la turbomachine intervient au cours dudit intervalle de temps. 7. Calculateur selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une entrée susceptible de recevoir une information sur la température de l'huile en un pointdudit circuit et en ce qu'il inhibe le déclenchement de l'alerte si une élévation de la température de l'huile dans le réservoir (6) intervient au cours dudit intervalle de temps. 8. Calculateur selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte une entrée susceptible de recevoir une information de mise en croisière et de fin de croisière d'un avion sur lequel est installée ladite turbomachine, et en ce qu'il inhibe le déclenchement de l'alerte en dehors de ladite phase de croisière. 9. Turbomachine destinée à être montée sur un aéronef caractérisée en ce qu'elle comporte un calculateur selon l'une des revendications 5 à 8. 10. Aéronef caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur selon l'une des revendications 5 à 8 pour la détection d'une contamination sur le circuit d'huile d'au moins une de ses turbomachines. 20 25