Brevet FR3074573A1 — publié le 20190607

PROCEDE DE MESURE PAR ULTRASONS DOMAINE [1] La prosente invention concerne un procede d'estimation du niveau d'huile dans un reservoir, plus particulierement un reservoir d'huile d'une turbomachine, notamment un turboreacteur a double flux. CONTEXTE [2] Une turbomachine comprend un circuit d'huile permettant de lubrifier et/ou de refroidir des dispositifs tels que des paliers de roulement ou des dentures d'engrenages. Le circuit d'huile comprend ainsi un reservoir, agence par exemple a proximito du boltier d'accessoires de la turbomachine. Pour garantir un fonctionnement parfait des dispositifs procites et de suivre la consommation en huile, il est important de pouvoir mesurer le niveau d'huile du reservoir. [3] Pour cela, il est connu de disposer des capteurs de niveau d'huile dans le reservoir, ces capteurs otant positionnos a des hauteurs connues du reservoir et otablissant un contact avec un flotteur magnotique pour en deduire la position du niveau d'huile et par suite le volume d'huile dans le reservoir. [4] Toutefois, on comprend que ce type d'approche pose plusieurs difficultos. En premier lieu, la precision de la mesure depend du nombre de contacteurs de sorte qu'une augmentation de la precision impose une augmentation du nombre de contacteurs, ce qui n'est pas souhaitable puisque l'on augmente la masse embarquoe et ne peut pas etre toujours realisee pour une question d'encombrement notamment et d'instrumentation de chacun desdits contacteurs. Des lors, la precision est alors figoe par le nombre de contacteurs utilises. A titre d'exemple pour un moteur ayant une consommation de 0,17 litre par heure de vol et utilisant des contacteurs, la tolerance de mesure entre deux niveaux depend de l'ocart entre les deux 2 contacts, ce qui aujourd'hui correspond a une distance minimale de 2,54 mm. Cette distance est hoe a la distance entre les deux contacts et ne peut pas etre minimisoe pour des raisons techniques lies a l'encombrement physique entre deux contacteurs. Ainsi, pour une surface du reservoir de l'ordre de 6,7 5 dm2, on obtient une erreur de mesure de 0,17 dm3 (litres) correspondant au niveau de consommation du moteur. II est donc clair que la mesure precise de faibles niveaux de consommation sur des temps court ou dans le cas ou le moteur consomme des faibles quantitos l'huile ne peut etre realisee qu'a l'aide d'une mothode plus precise qu'avec Ia technique anterieure. 10 [005] En second lieu, un tel dispositif de mesure s'avere insuffisamment précis puisque Ia consommation d'huile, c'est-a-dire l'huile consommoe par le moteur durant une phase de vol est de l'ordre du niveau de precision obtenu avec le dispositif, ne rendant ainsi pas possible un suivi précis de Ia consommation en huile durant une phase de vol. 15 [006] D'autres dispositifs peuvent etre utilises, notamment a capteurs capacitifs dont le principe de fonctionnement est de mesurer le niveau d'huile par Ia variation de Ia capacite. La precision de cette mothode n'est la encore pas optimale. [7] L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 20 efficace et oconomique a ce probleme. RESUME DE L'INVENTION [8] La prosente invention concerne tout d'abord un procede de mesure du niveau d'huile dans un reservoir d'une turbomachine, comprenant les otapes suivantes : 25 Agencer des moyens ultrasonores d'emission/roception d'ondes ultrasonores en contact avec une paroi du reservoir de maniere a pouvoir omettre un train d'ondes ultrasonore en direction de ('interface air/huile formant le niveau d'huile ; 3 - Agencer un reflecteur acoustique en regard desdits moyens ultrasonores ; - Emettre un train d'ondes acoustiques avec les moyens ultrasonores en direction dudit reflecteur acoustique et de ('interface air/huile ; 5 - Recevoir avec lesdits moyens ultrasonores une premiere onde reflochie par ('interface liquide/reflecteur acoustique et une seconde onde reflochie par ('interface air/huile, - Determiner a partir des temps de parcours desdites premiere et seconde ondes la distance separant ladite paroi de ('interface 10 air/huile. [009] Selon ('invention, le reservoir d'huile est instruments pour comprendre des moyens ultrasonores aptes a omettre des ondes ultrasonores dans le volume de liquide d'huile depuis une paroi jusqu'a ('interface air/huile. La paroi du reservoir peut etre la paroi de fond. 15 [010] L'utilisation d'un reflecteur acoustique permet de s'affranchir de la connaissance a priori de la vitesse de propagation des ultrasons emis par les moyens ultrasonores, laquelle vitesse de propagation depend ogalement de la temperature et de la viscosito de I'huile qui peuvent varier en fonctionnement. Egalement, pour une temperature donnoe, Ia vitesse de 20 propagation des ultrasons dans I'huile depend ogalement de I'origine d'approvisionnement. A titre d'information, pour une hauteur d'huile de 40 cm, une erreur de ±10% sur Ia valeur de Ia vitesse de propagation des ondes acoustiques conduit a une erreur de ± 4 mm, cette erreur otant superieure a ('erreur de Ia technique connue qui est de I'ordre de ± 2,5 mm. 25 Ainsi, cela justifie ('utilisation d'un reflecteur acoustique ou otalon de mesure servant de reference pour Ia mesure de Ia hauteur d'huile. Pour assurer, une reflexion acoustique au moins partielle de l'onergie incidente sur le reflecteur acoustique, celui-ci doit avoir une dimension suffisante dans le sens de propagation des ultrasons au regard de Ia frequence des ondes ultrasonore, plus specifiquement de Ia frequence centrale des moyens ultrasonores d'emission d'ondes acoustiques. 4 [11] L'utilisation des moyens ultrasonores avec le reflecteur acoustique comme propose permet d'avoir une precision superieure a celle de la technique anterieure et s'avere en outre indopendant d'un nombre de capteurs a positionner sur le reservoir. La precision est en outre tres 5 nettement superieure a celle des meilleures installations connues et de l'ordre de 1,3 mm pour une frequence centrale de 20 kHz des moyens ultrasonores d'emission d'ondes acoustiques. [12] En prenant en compte la vitesse reelle des ondes ultrasonores dans l'huile, on estime avoir une erreur sur la mesure du temps de vol de l'onde 10 ultrasonore de l'ordre de 10-6 avec une tolerance de mesure de distance H separant la paroi de ('interface air/huile. [13] Les moyens ultrasonores peuvent comprendre au moins un transducteur ayant une frequence centrale comprise entre 20 kHz et 100 MHz. 15 [014] Dans une realisation de ('invention, les moyens ultrasonores comprennent au moins un premier transducteur apte a fonctionner en mode omission/reception, ledit reflecteur acoustique et le transducteur otant positionnos de maniere a ce que ledit reflecteur acoustique soit intercale entre le transducteur et ('interface air/huile selon l'axe du faisceau 20 ultrasonore apte a etre em is par ledit transducteur. [015] Plus specifiquement, lesdits moyens ultrasonores peuvent comprendre un seul et unique transducteur. Dans cet agencement, le transducteur permet remission d'ondes acoustiques au travers du reflecteur acoustique jusqu'a ('interface air/huile. II convient alors de choisir avec soins 25 la frequence de fonctionnement du transducteur et le materiau du reflecteur acoustique afin que les ondes acoustiques puissent generer une reflexion sur celui-ci et laisser passer une partie de renergie vers ('interface air/huile et qu'une reflexion issue de cette interface puisse traverser le reflecteur acoustique vers les moyens ultrasonores de reception. 30 [016] Dans ce but, on choisira alors ('impedance acoustique dudit reflecteur acoustique dans une gamme comprise entre 1,4 et 20 Pa.s/m. 5 [17] Dans une autre realisation, les moyens ultrasonores comprennent un second transducteur apte a fonctionner en mode omission/reception, ledit second transducteur otant positionne de maniere a ce qu'il puisse omettre des ondes ultrasonores vers ('interface air-huile sans traverser ledit reflecteur 5 acoustique. [18] Dans cette configuration, le premier transducteur permet la propagation d'une onde ultrasonore jusqu'au reflecteur acoustique et la reflexion acoustique est recue par le premier transducteur. Le second transducteur permet la propagation d'une onde ultrasonore jusqu'a ('interface 10 air/huile et la reflexion acoustique sur cette interface est recue par le second transducteur. Cette seconde reflexion ne traverse pas ledit reflecteur acoustique. Cette realisation permet, en comparaison a la realisation avec un seul et unique transducteur, de s'affranchir du type de materiau utilise, celui-ci pouvant avoir une impedance telle qu'il interdit toute transmission 15 d'une onde acoustique incidente aux frequences de fonctionnement des moyens ultrasonores. Toutefois, cette realisation impose une maltrise du positionnement relatif du premier transducteur et du second transducteur l'un par rapport a l'autre et relativement a ('interface air/huile. [19] Bien ovidemment, it est possible a partir de la connaissance de 20 hauteur d'huile d'en deduire le volume d'huile dans le reservoir du fait de la connaissance de la forme du reservoir. Avant la mise en fonctionnement, un abaque peut etre otabli pour chaque reservoir permettant d'effectuer une correspondance du niveau d'huile avec un volume d'huile. [20] Le procede peut ogalement comprendre les otapes suivantes 25 effectuees durant une poriode de temps donnoe : - Determiner la hauteur d'huile a un premier instant T1 et en deduire le volume V1 d'huile dans le reservoir ; - Determiner la hauteur d'huile a un second instant T2 posterieur a ('instant T1 et en deduire le volume V2 d'huile dans le reservoir ; 6 - Calculer la consommation d'huile durant la poriode de temps T2-T1 a partir desdites deux mesures de volume V1, V2 d'huile obtenues aux otapes procedentes. [021] Plus particulierement, la poriode de temps peut s'etaler sur un cycle 5 de vol et ainsi consister a : - Determiner la hauteur d'huile en phase de ralenti au sol avant un decollage et en deduire le volume d'huile dans le reservoir ; - Determiner la hauteur d'huile en phase de ralenti au sol apres un atterrissage suite a une phase de vol et en deduire le volume d'huile 10 dans le reservoir ; - Calculer la consommation d'huile durant le cycle de vol a partir desdites deux mesures de volume d'huile obtenues aux otapes procedentes. [22] Le niveau d'huile est mesure au debut de la phase de taxi avant un 15 vol et a la fin de la phase de taxi apres le vol, afin d'extraire la consommation en huile du moteur en phase de ralenti. La consommation d'huile est calculoe de la maniere suivante : la quantito d'huile en litre au debut de la phase de taxi au sol est soustraite de la quantito d'huile en litre a la fin de la phase de taxi divise par la duree de la phase en heure afin d'avoir la consommation en 20 I/h. [23] Cette valeur de consommation d'huile est enregistroe et elle est comparee avec d'autres valeurs enregistrees en base de donnees afin d'avoir Ia tendance de Ia consommation en huile du moteur permettant d'estimer un otat d'usure du moteur et/ou identifier une anomalie vis-a-vis de 25 son contexte. [24] Egalement, Ia mesure de Ia consommation d'huile peut etre effectuoe durant une phase definie de ('usage d'un avion, par exemple une phase de taxi au sol, ladite mesure otant realisee de Ia maniere suivante : a) Enregistrement de donnees contextuelles relatives au 30 fonctionnement du moteur et a Ia hauteur du niveau d'huile, 7 lesdites donnees contextuelles du fonctionnement du moteur permettant de definir Ia phase d'usage de I'avion, b) Un algorithme predetermine determine Ia hauteur d'huile dans le reservoir associo a un contexte donne prealablement enregistre 5 parmi les donnees contextuelles du fonctionnement du moteur de maniere a avoir une mesure du niveau d'huile de maniere robuste, c'est-a-dire insensible aux conditions exterieures, c) Determination d'une anomalie et/ou d'un otat d'usure du moteur a partir de Ia determination de Ia hauteur associee au contexte 10 donne, d) Emission d'une alerte Iorsqu'une anomalie et/ou un otat d'usure du moteur est detect& [25] Dans Ia premiere otape a), les donnees sont enregistrees dans un calculateur electronique localise dans I'avion ou dans le moteur mais elles 15 peuvent aussi etre enregistrees sur un systeme pouvant etre localise en dehors du moteur. Les donnees sont organisees temporellement. Les donnees nocessaires peuvent etre : ('identification de I'avion, ('altitude, Ia vitesse, ('altitude de I'avion, ('identification du moteur, le niveau d'huile dans le reservoir, Ia temperature de I'huile, le regime moteur et le niveau de 20 pression dans le circuit d'huile. [26] Dans Ia deuxieme otape b), Ia consommation d'huile est definie par Ia difference de niveau mesuree sur une poriode de temps defini en considerant les conditions exterieures. La mesure du niveau sera corrigoe grace a Ia correction proposoe par ('invention permettant d'avoir une mesure 25 invariante dans le temps. La difference de niveau d'huile peut etre mesuree entre differentes phases d'usage de I'avion. L'identification desdites phases differentes d'usage de I'avion est realisee au moyen d'un algorithme qui identifie les differentes phases de vol de l'aeronef a partir de criteres specifiques (altitudes, vitesse, regime moteur, attitude, position manette). 30 Ainsi, l'implementation de ces otapes permet d'avoir Ia consommation d'huile 8 en litre par heure (I/h) contextualisoe a la phase d'usage de l'avion, par exemple en phase d'usage « taxiing » ou « cruise ». [27] Les moyens permettant l'enregistrement des donnees ainsi que les algorithmes de traitement de ces donnees peuvent etre localises dans un 5 calculateur localise dans le moteur, dans l'avion qui contient ce moteur, ou bien a l'exterieur du systeme dans des moyens de calcul localises au sol. [28] Le procede peut ogalement comprendre une otape de mesure de la vitesse de propagation des ultrasons dans l'huile a une pluralito d'instants donnos et de determination de la qualito de l'huile en fonction de la variation 10 de la valeur de vitesse de propagation des ultrasons au cours du temps. La mesure de la hauteur d'huile est convenablement mesuree grace au reflecteur acoustique et plus particulierement a la connaissance prealable de sa distance relativement aux moyens ultrasonores d'emission/roception d'ondes ultrasonores. En effet, la connaissance de la distance entre le 15 reflecteur acoustique et les moyens ultrasonores d'emission/roception qui est prodeterminee permet d'oliminer les erreurs de mesure hoes aux variations de la vitesse de propagation des ultrasons dans l'huile. On notera que le dispositif selon ('invention peut ogalement etre utilise pour ovaluer des parametres qualitatifs de l'huile, telle que notamment la viscosito ou la 20 presence d'un element permettant de mettre en evidence un otat d'usure ou de pollution. En effet, la vitesse de propagation des ultrasons peut etre reliee mathematiquement a la viscosite. Ainsi, le suivi d'un ou plusieurs parametres qualitatifs de l'huile peuvent etre mis a la connaissance de l'operateur de maintenance, le renseignant sur l'etat du moteur. 25 [029] L'invention concerne egalement un dispositif de mesure de la hauteur d'huile dans un reservoir d'huile d'une turbomachine comprenant un reservoir portant des moyens ultrasonores d'emission/roception d'ondes ultrasonores et un reflecteur acoustique agence en regard desdits moyens ultrasonores sur le trajet de propagation d'une onde acoustique jusqu'a 30 ('interface air/huile, ce reflecteur otant apte a reflochir au moins une partie d'une onde acoustique incidente emise par les moyens ultrasonores. 9 [30] Elle concerne aussi une turbomachine comprenant un dispositif comme evoque au paragraphe precedent. [31] L'invention sera mieux comprise et d'autres details, caracteristiques et avantages de l'invention apparaltront a la lecture de la description suivante 5 faite a titre d'exemple non limitatif en reference aux dessins annexes. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - la figure 1A est une illustration schematique d'un reservoir comprenant des moyens ultrasonores pour l'estimation de la hauteur d'huile selon une premiere realisation ; 10 - la figure 1B est un graphe des ondes ultrasonores reflochies par des obstacles acoustiques dans le reservoir de la figure 1 ; - la figure 2A est une illustration schematique d'un reservoir comprenant des moyens ultrasonores pour l'estimation de la hauteur d'huile selon une seconde realisation ; et 15 - la figure 2B est un graphe des ondes ultrasonores reflochies par des obstacles acoustiques dans le reservoir de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE [32] On se refere tout d'abord a la figure 1 qui reprosente une premiere mise en oeuvre du procede selon l'invention pour la mesure de la hauteur 20 d'huile H dans un reservoir 10 d'une turbomachine. [33] Comme cela est visible, la figure 1A reprosente des moyens ultrasonores 12 d'emission/roception d'ondes ultrasonores. Dans cette premiere mise en oeuvre, les moyens d'emission/roception comprennent un seul et unique transducteur ultrasonore ou premier transducteur 12a dont 25 une face omettrice 14 et receptrice d'ondes ultrasonores est couploe acoustiquement avec une face de fond 16 du reservoir 10 en vis-a-vis du niveau d'huile ou interface air/huile 18. Le couplage acoustique peut etre realise par mise en contact de ladite face omettrice 14 avec ladite face de 10 fond 16 du reservoir 10. En pratique, le couplage acoustique est realise par l'huile qui est en contact direct avec la face omettrice afin d'eviter qu'une couche fortement attenuante, tel que de ('air, puisse se former a cet endroit. [34] Selon le procede, un reflecteur acoustique 20 est intercale entre le 5 premier transducteur 12a et ('interface air/huile 18 de maniere a permettre une reflexion acoustique d'une onde ultrasonore emise par le premier transducteur 12a dans l'huile du reservoir 10. Cette premiere onde reflochie est reprosentee sur le graphe de Ia figure 1B par un premier echo ou signal 22a. La connaissance de Ia distance D separant le reflecteur acoustique 20 10 et Ia face omettrice 14 du premier transducteur 12a et Ia determination du temps T1 nocessaire a l'onde ultrasonore pour effectuer l'aller-retour permet de deduire Ia vitesse de propagation v de l'onde ultrasonore emise dans l'huile selon Ia formule suivante D = v * T1. La figure 1B reprosente ogalement un second echo ou signal 24a qui correspond a Ia reflexion d'une 15 partie de l'onergie de l'onde ultrasonore qui a traverse le reflecteur 20 et qui s'est reflochit sur ('interface air/huile 18. On determine ensuite Ia hauteur d'huile H selon une formule similaire a Ia procedente en utilisant Ia valeur de vitesse determinee procedemment au moyen du reflecteur acoustique 20. Cela est realise a l'aide de Ia formule suivante : H = D *71. Ainsi, it est 20 possible de s'affranchir de la variation de la vitesse de propagation des ultrasons dans l'huile du fait de l'origine d'approvisionnement de l'huile et de la variation de la temperature de l'huile dans le reservoir 10. [35] Dans le principe de fonctionnement docrit procedemment, le reflecteur acoustique 20 doit permettre une double transmission d'une partie de 25 l'onergie ultrasonore au travers du reflecteur acoustique 20. Pour cela, les materiaux d'impodance acoustique comprise entre 1,4 et 20 Pa.s/m sont prefores. Bien ovidemment, le reflecteur acoustique 20 doit ogalement presenter une faible attenuation aux ultrasons et avoir une faible opaisseur afin de minimiser la perte d'onergie acoustique en transmission. II doit 30 ogalement avoir une opaisseur suffisante afin que l'onde acoustique puisse 11 etre reflochie. Cette opaisseur e depend donc de la longueur d'onde A (A = V/2f0, avec V correspondant a Ia vitesse de propagation de I'onde et FO correspondant a Ia frequence nominale de I'onde acoustique) de I'onde acoustique et est thooriquement telle que (2k+1)A/4 REVENDICATIONS1. Procede de mesure du niveau d'huile dans un reservoir (10) d'une turbomachine, comprenant les otapes suivantes : - Agencer des moyens ultrasonores (12) d'emission/roception d'ondes ultrasonores en contact avec une paroi du reservoir (10) de maniere a pouvoir omettre un train d'ondes ultrasonores en direction de ('interface air/huile (18) formant le niveau d'huile ; - Agencer un reflecteur acoustique (20) en regard desdits moyens ultrasonores (12) ; - Emettre un train d'ondes acoustiques avec les moyens ultrasonores (12) en direction dudit reflecteur acoustique (20) et de ('interface air/huile (18) ; - Recevoir avec lesdits moyens ultrasonores (12) une premiere onde reflochie par ('interface liquide/reflecteur acoustique et une seconde onde reflochie par ('interface air/huile (18) ; - Determiner a partir des temps de parcours desdites premiere et seconde ondes Ia distance (H) separant ladite paroi de ('interface air/huile (18). 2. Procede selon revendication 1, dans lequel les moyens ultrasonores (12) comprennent au moins un transducteur (12a, 12b) ayant une frequence centrale comprise entre 20 kHz et 100 MHz. 3. Procede selon Ia revendication 2, dans lequel les moyens ultrasonores (12) comprennent au moins un premier transducteur (12a) apte a fonctionner en mode omission/reception, ledit reflecteur acoustique (20) et le transducteur (12a) otant positionnos de maniere a ce que ledit reflecteur acoustique (20) soit intercale entre le transducteur (12a) et ('interface air/huile selon ('axe du faisceau ultrasonore apte a etre emis par ledit transducteur (12a). 4. Procede selon Ia revendication 2, dans lequel les moyens ultrasonores (12) comprennent un second transducteur (12) apte a fonctionner en 14 mode omission/reception, ledit second transducteur (12b) otant positionne de maniere a ce qu'il puisse omettre des ondes ultrasonores vers ('interface air-huile (18) sans traverser ledit reflecteur acoustique (20). 5 5. Procede selon l'une des revendications 1 a 4, dans lequel ('impedance acoustique dudit reflecteur acoustique (20) est comprise entre 1,4 et 20 Pa.s/m. 6. Procede selon l'une des revendications 1 a 5, dans lequel it comprend une otape consistant a deduire le volume d'huile dans le reservoir (10) a 10 partir de la mesure de la hauteur (H) d'huile. 7. Procede selon l'une des revendications 1 a 6, dans lequel it comprend en outre les otapes suivantes effectuees durant une poriode de temps donnoe : - Determiner la hauteur d'huile a un premier instant T1 et en deduire le 15 volume V1 d'huile dans le reservoir ; - Determiner la hauteur d'huile a un second instant T2 posterieur a ('instant T1 et en deduire le volume V2 d'huile dans le reservoir ; 8. Procede selon l'une des revendications procedentes, dans lequel it comprend une otape de mesure de la vitesse de propagation des 20 ultrasons dans l'huile a une pluralito d'instants donnos et de determination de la qualito de l'huile en fonction de la variation de la valeur de vitesse de propagation des ultrasons au cours du temps. 9. Dispositif de mesure de la hauteur d'huile dans un reservoir d'huile d'une turbomachine comprenant un reservoir (10) portant des moyens 25 ultrasonores (12) d'emission/roception d'ondes ultrasonores et un reflecteur acoustique (20) agence en regard desdits moyens ultrasonores (12) sur le trajet de propagation d'une onde acoustique jusqu'a ('interface air/huile, ce reflecteur (20) otant apte a reflochir au moins une partie d'une onde acoustique incidente emise par les moyens 30 ultrasonores (12). 15 10. Turbomachine, telle qu'un turboreacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un dispositif selon la revendication 9.