Brevet FR3142501A1 — publié le 20240531

La présente invention concerne un procédé de surveillance d’une turbomachine (1), la turbomachine (1) comprenant : - au moins un arbre (6, 7, 8) tournant supporté par au moins un palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) ; - au moins une machine électrique (M1, M2) configurée pour fournir de l’énergie électrique à la turbomachine (1), la machine électrique (M1, M2) comprenant au moins un roulement (23) ; la machine électrique (M1, M2) et le palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) étant disposés dans une enceinte (A1, A2) de lubrification ; - un système (S) de lubrification adapté pour lubrifier le palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) et le roulement (23) et récupérer l’huile présente dans l’enceinte (A1, A2), le système (S) de lubrification comprenant un détecteur (104) de particules adapté pour compter des particules présentes dans le système (S) de lubrification, le procédé comprenant, après une durée A suivant un arrêt de la machine électrique et lorsqu’un débit d’huile circulant dans le système de lubrification est supérieur à un seuil donné (B), les étapes suivantes : - arrêt, pendant une durée T1, de la machine électrique de sorte à libérer des particules issues du roulement (23) afin qu’elles circulent dans le système de lubrification ; - comptage des particules circulant dans le système de lubrification pendant une durée T2 ; - déclenchement d’une alerte de maintenance de la machine électrique lorsque le nombre de particules compté est supérieur à un seuil. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Surveillance des particules d’une turbomachine La présente demande concerne de manière générale le domaine des turbomachines, et plus particulièrement la surveillance d’une turbomachine équipée d’un capteur destiné à retenir les particules métalliques entrainées par l’huile de lubrification résultant de paliers. ETAT DE LA TECHNIQUE Une turbomachine présente classiquement des pièces en rotation entrainées par des arbres supportés par des paliers. Ces paliers permettent la bonne rotation des arbres et sont lubrifiés au moyen d’un circuit de lubrification fonctionnant en boucle fermé. Les paliers sont sujets à des phénomènes d’usure qui se traduisent par l’apparition de particules de taille plus ou moins importante dans le circuit de lubrification. Pour surveiller l’usure des paliers, un capteur de particules est installé dans le circuit de lubrification pour prévenir des défaillances du moteur. Pour satisfaire les besoins en énergie, une turbomachine comprend une ou plusieurs machines électriques pour fournir de l’électricité et notamment entrainer l’arbre haute pression. Ces machines électriques possèdent aussi des paliers qui doivent être lubrifiés et surveillés au même titre que ceux supportant les arbres tournants. Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique. Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques. La présente demande est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions. En particulier, un but de la présente demande est de surveiller une turbomachine comprenant au moins une machine électrique de préférence intégrée à l’intérieur de la turbomachine au plus près des arbres. La machine électrique est dont intégrée à l’intérieur de la turbomachine au lieu de la nacelle qui possède une taille limitée. L’invention permet d’utiliser des machines électriques compte tenu des besoins grandissants en électricité. En effet, l’énergie électrique est plus propre, plus simple à maintenir. Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect un procédé de surveillance d’une turbomachine, la turbomachine comprenant : au moins un arbre tournant supporté par au moins un palier ; au moins une machine électrique configurée pour fournir de l’énergie électrique à la turbomachine, la machine électrique comprenant au moins un roulement ; la machine électrique et le palier étant disposés dans une enceinte de lubrification ; un système de lubrification adapté pour lubrifier le palier et le roulement et récupérer l’huile présente dans l’enceinte, le système de lubrification comprenant un détecteur de particules adapté pour compter des particules présentes dans le système de lubrification, le procédé comprenant, après une durée A suivant un arrêt de la machine électrique et lorsqu’un débit d’huile circulant dans le système de lubrification est supérieur à un seuil donné, les étapes suivantes : - arrêt, pendant une durée T1, de la machine électrique de sorte à libérer des particules issues du roulement afin qu’elles circulent dans le système de lubrification ; - comptage des particules circulant dans le système de lubrification pendant une durée T2 ; - déclenchement d’une alerte de maintenance de la machine électrique lorsque le nombre de particules compté est supérieur à un seuil. Le procédé selon le premier aspect est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la turbomachine comprend une première machine électrique et une deuxième machine électrique, la première machine électrique étant arrêtée, le procédé comprenant une reconfiguration de la deuxième machine électrique de manière à ce que la deuxième machine électrique fournisse de l’énergie électrique à la place de la première machine électrique arrêtée ; - la machine électrique est à technologie bobinée sans aimants permanents susceptibles d’attirer des particules ; - la machine électrique est configurée pour convertir un couple issu d’un arbre tournant en énergie électrique ; - chaque étape d’arrêt de la machine électrique est mise en œuvre à l’issue de la durée A comprise entre une durée équivalente à1 vol et 50 vols de la turbomachine ; - le procédé comprend une autorisation de prélever du couple par la machine électrique après que la durée T2 est écoulée ; - la durée T1 est comprise entre 0,1 seconde incluse et 90 secondes incluses ; - la durée T2 est comprise entre 1 seconde incluse et 10 minutes incluses. Il est également proposé, selon un deuxième aspect un turbomachine comprenant au moins un arbre tournant supporté par au moins un palier, au moins une machine électrique configurée pour fournir de l’énergie électrique à la turbomachine, la machine électrique comprenant au moins un roulement ; la machine électrique et le palier étant disposés dans une enceinte de lubrification ; un système de lubrification adapté pour lubrifier le palier et le roulement et récupérer l’huile présente dans l’enceinte, le système de lubrification comprenant un détecteur de particules adapté pour compter des particules présentes dans le système de lubrification, la turbomachine comprenant une unité de traitement reliée audit détecteur et configurée pour mettre en œuvre un procédé de surveillance de la turbomachine selon le premier aspect. Il est également proposé, selon un troisième aspect un aéronef comprenant une turbomachine selon le deuxième aspect. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la illustre un aéronef comprenant une turbomachine conforme à la présente demande ; - la illustre une turbomachine conforme à la présente demande ; - la illustre des étapes d’un procédé de surveillance selon la présente demande. Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La illustre un aéronef 100 comprenant deux turbomachines 1 et la illustre, schématiquement, une turbomachine 1. La turbomachine 1 comprend une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal X et comprend d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3a, un compresseur haute pression 3b, une chambre de combustion 4, une turbine haute pression 5a, une turbine basse pression 5b, et une tuyère d’échappement des gaz (non représentée). La turbine haute pression 5a entraine en rotation le compresseur haute pression 5a par l’intermédiaire d’un premier arbre 8, dit arbre haute pression, tandis que la turbine basse pression 5b entraine en rotation le compresseur basse pression 3a et la soufflante 2 par l’intermédiaire d’un deuxième arbre 6, dit arbre basse pression. L’arbre basse pression 6 est généralement logé dans l’arbre haute pression 7. De manière avantageuse, la soufflante 2 est entrainée en rotation par l’arbre basse pression 6 par l’intermédiaire d’un mécanisme de réduction 10 à engrenages et d’un troisième arbre dit arbre de soufflante 7 qui est fixé entre le mécanisme de réduction 10 et la soufflante 2. Le mécanisme de réduction 10 permet d’avoir une soufflante 2 à fort diamètre et en même temps un compresseur basse pression 3a et une turbine basse pression 5b fonctionnant à régime élevé. L’arbre de soufflante 7, l’arbre haute pression 8 et l’arbre basse pression 6 sont centrés sur l'axe X de la turbomachine 1 par une série de paliers. En particulier, les arbres haute pression 7 et basse pression 6 sont fixés à un carter 9 de la turbomachine 1 par l’intermédiaire de paliers 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c. Les paliers désignés par la référence 12a, 12b, 12c sont disposés à l’arrière de la turbomachine 1 tandis que les paliers 13a, 13b, 13c sont disposés à l’avant de la turbomachine 1. L’arbre de soufflante 7 est aussi supporté par une pièce structurale par l’intermédiaire de paliers non représentés. Afin de lubrifier les différents paliers 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c, la turbomachine 1 comprend un système S de lubrification, alimentant un circuit fermé d’huile, et des enceintes A1, A2 dans lesquelles sont logées les paliers 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c. Ces enceintes A1, A2 définissent des environnements étanches dans lesquels un jet d’huile est injecté sur les paliers. En effet, les paliers 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c sont lubrifiés et refroidis par de l’huile qui est projetée dans l’enceinte par des gicleurs G1, G2 (à une pression par exemple comprise entre 2 et 10 bars). Le système S de lubrification comprend une pompe d’alimentation 101 qui pompe de l’huile depuis un réservoir d’huile 102 pour être acheminée vers les paliers 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c logés dans les enceintes A1, A2 au travers de conduits 91 formés dans le carter 9. En fonctionnement, l’huile de lubrification est centrifugée par les paliers et s’accumule au point bas de l’enceinte A1, A2. Pour éviter que l’huile ne s’échappe de l’enceinte E1, E2, des joints 10 de type dynamiques sont prévus par exemple des joints de type labyrinthes ou de type joints radial asservi (JRS). Le système S de lubrification est en circuit fermé car l’huile est en quantité limitée. De ce fait, l’huile centrifugée est récupérée par des pompes 103 de récupération qui permet de recycler l’huile ainsi récupérée. On prévoit une pompe 103 de récupération d’huile par enceinte A1, A2 pour évacuer un volume d’huile équivalent à celui injecté dans l’enceinte. Les pompes 103 pompent l’huile depuis des conduits 92 formés dans le carter 9. On note que l’huile centrifugée peut créer un nuage/brouillard d’huile dans l’enceinte. Pour détecter l’usure des paliers, un détecteur de particules 104 est disposé sur le circuit d’huile avant que l’huile récupérée ne soit réinjectée dans le réservoir 101. Un tel détecteur 104 de particules est par exemple un capteur électromagnétique configuré pour collecter des particules présentes dans le système de lubrifications. Un tel détecteur est relié à une unité de traitement 200 de la turbomachine qui analyse le signal résultant du détecteur afin de compter les particules. Comme indiqué en introduction, la turbomachine 1 comprend une ou plusieurs machine(s) électrique(s) M1, M2 pour fournir de l’énergie électrique à la turbomachine 1. Une machine électrique M1, M2 permet de prélever un couple issu par exemple d’un arbre de la turbomachine pour le convertir en énergie électrique pour fournir de l’énergie à la turbomachine 1 (à des accessoires par exemple). Une machine électrique M1, M2 comprend classiquement un stator 21, un rotor 22, et un roulement 23 (ou palier) pour minimiser l’entrefer entre le rotor 22 et le stator 21. Afin de permettre la lubrification du roulement 23 de la machine électrique M1, M2, la machine électrique est disposée dans une enceinte A1, A2 d’huile pour profiter de l’huile prévue pour les paliers supportant les arbres de la turbomachine 1 comme décrit ci-avant. Ici encore, l’huile accumulée des roulements 23 de la machine électrique M1, M2 est aussi centrifugée pour s’accumuler au point bas de l’enceinte A1, A2. Comme illustré sur la , deux machines électriques M1, M2 sont disposées, chacune dans une enceinte A1, A2 d’huile. Bien entendu on peut prévoir un nombre différent de machine électrique. Il a été observé qu’en fonctionnement, la machine électrique M1, M2 émet un champ magnétique qui retient les particules issues de l’usure de ses roulements et peut potentiellement, en fonctionnement, attirer des particules magnétiques issues de l’usure des paliers logés dans l’enceinte. De manière avantageuse, la machine électrique est à technologie bobinée sans aimants permanents susceptibles d’attirer des particules en plus du champ magnétique. Les particules retenues peuvent dégrader la machine électrique M1, M2 elle-même mais aussi nuire à la surveillance des paliers, ceux-ci n’étant pas comptés. Ainsi, pour surveiller la turbomachine en tenant compte de la présence de machines électriques, on met en œuvre un procédé de surveillance tel que décrit ci-après. La machine électrique M1, M2 que l’on souhaite surveiller est arrêtée après une certaine durée A écoulée après un arrêt précédent aussi destiné à sa surveillance et lorsque le débit d’huile dans le système de lubrification est supérieur à un seuil B (étapes E1, E2). Ces deux conditions doivent être remplies simultanément. Dans la description ici on considère que la machine M1 est arrêtée. Le débit d’huile B est fixé sur banc d’essai et est choisi de sorte à ce qu’il puisse être obtenu au cours d’une phase de vol. Une phase de vol intéressante est par exemple le décollage. En outre, le débit d’huile B assure que la détection se fasse obligatoirement à un moment où les particules sont correctement véhiculées par le débit d’huile (au fonctionnement ralenti de la turbomachine ce n’est pas le cas par exemple), ce débit est obligatoirement assez bas pour qu’on soit certain de l’atteindre quel que soit le vol réalisé. La durée A entre chaque arrêt de la machine électrique M1 est aussi défini par essais et dépend de la vitesse de dégradation des paliers. Une telle durée correspond de 1 vol à 50 vols de la turbomachine 1. De manière complémentaire, lorsqu’une machine électrique M1 est arrêtée, une autre machine électrique M2 présente dans la turbomachine 1 peut alors être reconfigurée pour prendre le relais sur celle qui est arrêtée (étape E3) de manière à ce que le fonctionnement de la turbomachine ne soit pas impacté et que l’énergie électrique soit toujours fournie. De manière alternative, une source externe par exemple une batterie peut prendre le relais sur la machine électrique arrêtée. Après l’écoulement d’une durée T1 (étape E4) consécutive à l’arrêt de la machine électrique M1, le comptage des particules démarre (étape E5). Une telle durée T1 est aussi fixée sur banc d’essai et permet d’éviter un comptage entre le moment où les particules sont libérées et le moment où les particules les plus rapides arrivent jusqu’au détecteur de particules. Il s’agit d’une durée qui tient compte de la vitesse de déplacement des particules dans le flux d’huile au débit supérieur à la valeur B. Bien entendu, la durée dépendra du débit B. La durée T1 peut être comprise entre 100 ms incluses et 90 secondes incluses. A titre d’exemple, en considérant une longueur de canalisation entre 1m et 10m et un débit compris entre 10000L/h et 200 L/h au travers d’une canalisation entre 0,75 pouce et 1 pouce, nous obtenons une plage comprise entre 0,1s et 90 secondes. Le comptage des particules s’effectue pendant une durée T2 (étape E6). Une telle durée T2 est par exemple comprise entre 1 seconde incluse et 10 minutes incluses. A titre d’exemple, en considérant une efficacité de transport de 0,25, et en arrondissant, on obtient T2 = 1s à 6 minutes. Cette durée T2 tient compte de la vitesse des particules les plus lentes que la machine électrique M1 peut libérer toujours pour s’assurer qu’elles parviennent au détecteur de particules 104. A l’issue de cette durée T2, le comptage des particules s’arrête (étape E7). La durée T2 fixe donc une fenêtre de comptage pour qu’une grande quantité de particules puisse être comptée (des plus rapides au plus lentes). L’arrêt de la machine électrique dans l’enceinte permet aux particules issues des paliers des arbres et des roulements de la machine électrique de bien circuler dans le système de lubrification. La détection de particules issues des paliers ou du roulement de la machine électrique est mise en œuvre en considérant que toute particule détectée entre T1 et T2 est une particule issue de la machine électrique. En effet, statistiquement, la probabilité qu’une particule issue des paliers de la turbomachine soit libérée durant cette fenêtre est négligeable face à la durée globale d’observation, ce qui permet d’avoir une localisation fiable de la source d’émission des particules. De cette manière, il est possible de déterminer la quantité de particules issues de la machine électrique. Le nombre de particules comptées est comparé à un seuil de maintenance SM (étape E8) et si ce nombre est supérieur à ce seuil alors une alerte de maintenance est générée (étape E9). Dans le cas contraire, lorsque ce nombre est inférieur à ce seuil, la machine électrique est ensuite redémarrée (étape E10) de manière à être autorisée à prélever un couple. Il est à noter qu’une telle alerte peut prendre la forme d’une alerte à l’attention d’un utilisateur, par exemple une alerte visuelle, etc. La machine électrique qui avait été arrêtée est ensuite redémarrée (étape E10), l’utilisateur étant prévenu d’une maintenance et peut ainsi redémarrer. En particulier, la machine électrique est à nouveau autorisée à prélever un couple pour le transformer en énergie électrique. Procédé de surveillance d’une turbomachine (1), la turbomachine (1) comprenant : - au moins un arbre (6, 7, 8) tournant supporté par au moins un palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) ; - au moins une machine électrique (M1, M2) configurée pour fournir de l’énergie électrique à la turbomachine (1), la machine électrique (M1, M2) comprenant au moins un roulement (23) ; la machine électrique (M1, M2) et le palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) étant disposés dans une enceinte (A1, A2) de lubrification ; - un système (S) de lubrification adapté pour lubrifier le palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) et le roulement (23) et récupérer l’huile présente dans l’enceinte (A1, A2), le système (S) de lubrification comprenant un détecteur (104) de particules adapté pour compter des particules présentes dans le système (S) de lubrification, le procédé comprenant, (E1) après une durée A suivant un arrêt de la machine électrique et lorsqu’un débit d’huile circulant dans le système de lubrification est supérieur à un seuil donné (B), les étapes suivantes : - arrêt (E2), pendant une durée T1 (E4), de la machine électrique de sorte à libérer des particules issues du roulement (23) afin qu’elles circulent dans le système de lubrification ; - comptage (E5, E6) des particules circulant dans le système de lubrification pendant une durée T2 ; - déclenchement (E8, E9) d’une alerte de maintenance de la machine électrique lorsque le nombre de particules compté est supérieur à un seuil (SM). Procédé selon la revendication 1, la turbomachine (1) comprenant une première machine électrique (M1) et une deuxième machine électrique (M2), la première machine électrique (M1) étant arrêtée, le procédé comprenant une reconfiguration (E3) de la deuxième machine électrique (M2) de manière à ce que la deuxième machine électrique (M2) fournisse de l’énergie électrique à la place de la première machine électrique (M1) arrêtée. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la machine électrique (M1, M2) est à technologie bobinée sans aimants permanents susceptibles d’attirer des particules. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la machine électrique (M1, M2) est configurée pour convertir un couple issu d’un arbre tournant en énergie électrique. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque étape d’arrêt (E2) de la machine électrique est mise en œuvre à l’issue de la durée A comprise entre une durée équivalente à1 vol et 50 vols de la turbomachine 1. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une autorisation (E10) de prélever du couple par la machine électrique après que la durée T2 est écoulée. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la durée T1 est comprise entre 0,1 seconde incluse et 90 secondes incluses. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la durée T2 est comprise entre 1 seconde incluse et 10 minutes incluses. Turbomachine (1) comprenant au moins un arbre (6, 7, 8) tournant supporté par au moins un palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c), au moins une machine électrique (M1, M2) configurée pour fournir de l’énergie électrique à la turbomachine (1), la machine électrique (M1, M2) comprenant au moins un roulement (23) ; la machine électrique (M1, M2) et le palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) étant disposés dans une enceinte (A1, A2) de lubrification ; un système (S) de lubrification adapté pour lubrifier le palier (12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c) et le roulement (23) et récupérer l’huile présente dans l’enceinte (A1, A2), le système (S) de lubrification comprenant un détecteur (104) de particules adapté pour compter des particules présentes dans le système (S) de lubrification, la turbomachine (1) comprenant une unité de traitement (200) reliée audit détecteur (104) et configurée pour mettre en œuvre un procédé de surveillance de la turbomachine (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Aéronef comprenant une turbomachine (1) selon la revendication 9.