FR2986777A1 - Structure d'aeronef equipee de capteurs de temperature - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à une structure d'aéronef réalisée au moins partiellement en matériau composite caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un capteur de température linéaire disposé en contact avec ladite structure de manière à ce qu'un transfert de chaleur entre ladite structure et le capteur s'effectue au moins partiellement par conduction thermique.

Description

La présente invention se rapporte à une structure de nacelle de turboréacteur en matériau composite équipée d'un système de détection de surchauffe et régulation de chauffe. Un avion est propulsé par un ou plusieurs ensembles propulsifs 5 comprenant chacun un turboréacteur logé dans une nacelle tubulaire. Chaque ensemble propulsif est rattaché à l'avion par un mât situé généralement sous une aile ou au niveau du fuselage. Une nacelle présente généralement une structure comprenant une entrée d'air en amont du turboréacteur, une section médiane destinée à 10 entourer la soufflante du turboréacteur, une section aval pouvant abriter des moyens d'inversion de poussée et destinée à entourer la chambre de combustion du turboréacteur, et est généralement terminée par une tuyère d'éjection dont la sortie est située en aval du turboréacteur. L'entrée d'air comprend, d'une part, une lèvre d'entrée d'air 15 adaptée pour permettre la captation optimale vers le turboréacteur de l'air nécessaire à l'alimentation de la soufflante et des compresseurs internes du turboréacteur, et d'autre part, une structure aval sur laquelle est rapportée la lèvre et destinée à canaliser convenablement l'air vers les aubes de la soufflantes. L'ensemble est rattaché en amont d'un carter de la soufflante 20 appartenant à la section amont de la nacelle. En vol, selon les conditions de température et d'humidité, de la glace peut se former sur la nacelle, notamment au niveau de la surface externe de la lèvre d'entrée d'air. La présence de glace ou de givre modifie les propriétés aérodynamiques de l'entrée d'air et perturbe l'acheminement de l'air 25 vers la soufflante. De plus, la formation de givre sur l'entrée d'air de la nacelle et l'ingestion de glace par le moteur en cas de détachement de blocs de glace peuvent endommager le moteur, et présenter un risque pour la sécurité du vol. Une solution pour dégivrer ou déglacer la surface externe consiste à éviter que la glace ne se forme sur cette surface externe en maintenance la 30 surface concernée à une température suffisante. Ainsi, il est connu, par exemple du document US 4 688 757, de prélever de l'air chaud au niveau du compresseur du turboréacteur et de l'amener au niveau de la lèvre d'entrée d'air afin de réchauffer les parois. Toutefois, un tel dispositif nécessite un système de conduits d'amenée d'air 35 chaud entre le turboréacteur et l'entrée d'air, ainsi qu'un système d'évacuation de l'air chaud au niveau de la lèvre d'entrée d'air. Ceci augmente la masse de l'ensemble propulsif, ce qui n'est pas souhaitable. Ces inconvénients ont conduit au développement de solutions de dégivrage électrique.

On peut notamment citer le document EP 1 495 963 bien que de nombreux autres documents se rapportent au dégivrage électrique et à ses développements. Afin d'alléger au maximum les structures utilisées dans la constitution de nacelles, et plus généralement d'équipements aéronautiques, il est de plus en plus recouru à l'emploi de matériaux composites dans ces structures. La lèvre d'entrée d'air d'une nacelle peut notamment être réalisée en matériaux composites. L'utilisation de ces matériaux pose certains problèmes dans le cas d'un dispositif de dégivrage électrique.

En effet, la température d'exposition de ces matériaux ne doit généralement pas dépasser un seuil critique sous peine de dénaturation du matériau et donc d'endommagement de la structure. Il convient donc de surveiller la température du matériau composite afin d'éviter toute surchauffe, notamment locale, du matériau.

Une solution évidente est d'équiper la structure en matériau composite de capteurs de température, typiquement au moins un capteur de température par tapis chauffant intégré dans l'entrée d'air de la nacelle, l'entrée d'air possédant un nombre important de tapis chauffants. Ces capteurs sont typiquement des capteurs ponctuels de type 25 thermistances platine (sondes Pt100) ou des thermocouples. Une telle solution ne permet donc pas d'éviter certaines surchauffes locales entre les capteurs à moins d'augmenter de manière très importante le nombre de capteurs utilisés. Une telle solution implique également la mise en place d'un réseau de transmission des données 30 mesurées par les capteurs, ce qui peut rendre le dispositif particulièrement complexe et peu pratique au niveau de son installation et mise en oeuvre. Pour des raisons de fiabilité, il pourrait également nécessaire de redonder les capteurs, ce qui impacterait encore la masse de la structure et augmenterait sa complexité. 35 De tels problèmes sont évoqués dans les demandes FR 2 938 503 et FR 2 941 439 qui présentent une solution à ces difficultés.

On connaît des capteurs de température linéaires se présentant sous la forme d'un fil conducteur central disposé à l'intérieur d'une gaine métallique et isolé de ladite gaine par une céramique isolante imprégnée d'un sel eutectique.

De tels capteurs sont commercialisés sous la marque NEGACOAX par la société THERMOCOAX. Le fonctionnement de ces capteurs repose sur la variation brutale de conductivité dans la céramique isolante lors du changement de phase du sel eutectique soumis à une température dépassant son point de fusion.

Le sel eutectique utilisé est sélectionné de manière à ce que sa température de fusion corresponde à la température de contrôle requise. Il existe notamment des capteurs conçus pour des températures seuil de 104°C, 124°C, 204°C et 232°C. Lorsque le sel eutectique fond, la céramique isolante devient alors 15 conductrice, ce qui provoque un court-circuit entre la gaine métallique externe et le conducteur central. Ce court-circuit peut être mesuré. Lorsque la température diminue, le sel eutectique retrouve sa forme solide non conductrice et la céramique redevient isolante. Un tel capteur peut ainsi être réutilisé et subir plusieurs cycles de 20 transformation tant que sa température maximale d'utilisation n'a pas été dépassée. De tels capteurs sont utilisés dans le domaine aéronautique pour des systèmes de détection feu et détection de surchauffe. Plus précisément, de tels capteurs sont utilisés par exemple pour la 25 détection de fuites d'air dans le réseau pneumatique de l'avion (Bleed Air Leak). Ce réseau pneumatique étant alimenté par de l'air prélevé au niveau du compresseur du turboréacteur, des fuites entraînent une surchauffe détectable par des capteurs thermiques. Ces capteurs peuvent également être utilisés pour la détection 30 d'incendies au niveau des systèmes de contrôle de cabine (Environmental Control System, ECS) qui régulent la pressurisation cabine, la température et autres variables environnementales. Ils sont encore utilisés pour la détection feu au niveau du compartiment auxiliaire de puissance de l'aéronef (Auxiliary Power Unit 35 compartment, APU compartment).

Ces capteurs sont toutefois utilisés pour la détection de la température de l'air environnant et la détection s'effectue par convection thermique. La présente invention vise à pallier ces inconvénients et vise pour ce faire une structure d'aéronef réalisée au moins partiellement en matériau composite caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un capteur de température linéaire disposé en contact avec ladite structure de manière à ce qu'un transfert de chaleur entre ladite structure et le capteur s'effectue au moins partiellement par conduction thermique.

Il a en effet été constaté de manière surprenante que de tels capteurs n'étaient pas seulement utilisables dans un environnement de transfert thermique par convection mais également dans des environnements de transferts thermiques par conduction. Cela permet leur utilisation dans des environnements où il n'existe pas de convection (matériaux pleins et isolés) ou encore des environnements dans lesquels les phénomènes de convection sont totalement irréguliers et imprévisibles, ce qui ne permettrait pas une mesure de température ou une détection fiable. Il en va ainsi des structures de bord d'attaque, et notamment de lèvre d'entrée d'air de nacelle de turboréacteur.

De manière préférentielle, le capteur linéaire est un capteur à sel eutectique. Selon un mode de réalisation préféré, la structure est une structure d'entrée d'air de nacelle de turboréacteur, et plus particulièrement une structure de lèvre d'entrée d'air.

Selon une première variante de réalisation le capteur linéaire est rapporté sur une surface de ladite structure. Selon une deuxième variante de réalisation, le capteur linéaire est intégré dans la structure composite. Avantageusement, le capteur linéaire est disposé au niveau d'une 30 âme, notamment alvéolaire ou en mousse, du matériau composite. De manière alternative ou complémentaire, le capteur linéaire est disposé dans une matrice, notamment en résine, du matériau composite. Préférentiellement, le capteur linéaire est disposé entre deux plis fibreux du matériau composite. En variante ou de manière complémentaire, le capteur 35 linéaire est disposé entre un pli fibreux et une âme, notamment alvéolaire ou en mousse, du matériau composite.

Selon une variante de réalisation, le capteur linéaire est recouvert au moins partiellement d'une couche d'isolant thermique visant à améliorer la mesure de température. Avantageusement, la structure est équipée d'au moins un moyen 5 de chauffage, préférentiellement électrique. Avantageusement encore, la structure est associée à au moins un système de régulation de chauffe lié au moyen de chauffage et au capteur. De manière préférentielle, le capteur linéaire est disposé de manière à former sur au moins une partie de sa longueur un serpentin. 10 De manière avantageuse, la structure comprend au moins deux capteurs linéaires possédant chacun une température seuil différente. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée qui suit en regard du dessin annexé dans lequel : La figure 1 est une représentation schématique de la structure 15 d'un capteur linéaire utilisé, La figure 2 est une représentation schématique en coupe d'une structure d'entrée d'air en matériau composite montrant différentes variantes d'implantation de capteurs linéaires, La figure 3 est une représentation schématique de face d'une 20 structure d'entrée d'air présentant un capteur linéaire formant serpentin, Les figures 4 et 5 sont des courbes représentant des cycles de fonctionnement du capteur linéaire respectivement en mode détection de surchauffe et en mode régulation de température. 25 La figure 1 est une représentation schématique d'un capteur 10 de température linéaire à sel eutectique utilisé dans le cadre de la présente invention. Ce capteur 10 se présente sous la forme d'un fil conducteur central 11 disposé à l'intérieur d'une gaine métallique 12 externe et isolé de ladite 30 gaine par une céramique 13 isolante imprégnée d'un sel eutectique. Comme expliqué précédemment, le fonctionnement de ces capteurs repose sur la variation brutale de conductivité dans la céramique 13 isolante lors du changement de phase du sel eutectique soumis à une température dépassant son point de fusion. 35 Le sel eutectique utilisé est sélectionné de manière à ce que sa température de fusion corresponde à la température de contrôle requise. Dans le cadre de matériaux composites utilisés dans la fabrication de structure aéronautique, et notamment de structure d'entrée d'air de nacelle de turboréacteur, on pourra sélectionner préférentiellement un sel eutectique possédant une température de fusion au voisinage de 120°C. Bien évidemment, cette température seuil est adaptable par l'homme du métier en fonction des matériaux utilisés. Bien évidemment plusieurs capteurs linéaires possédant des seuils de températures différents peuvent être associés, notamment en fonction des zones du matériau à surveiller ou dans un but de régulation qui sera décrit 10 ultérieurement. Lorsque le sel eutectique fond, la céramique 13 isolante devient alors conductrice, ce qui provoque un court-circuit entre la gaine métallique 12 externe et le conducteur 11 central. Ce court-circuit peut être mesuré. Lorsque la température diminue, le sel eutectique retrouve sa 15 forme solide non conductrice et la céramique 13 redevient isolante. Un tel capteur 10 peut ainsi être réutilisé et subir plusieurs cycles de transformation tant que sa température maximale d'utilisation n'a pas été dépassée. La figure 2 est une représentation schématique en coupe 20 longitudinale d'une structure d'entrée d'air 20 en matériau composite montrant différentes variantes d'implantation de capteurs linéaires. Plus précisément, cette structure d'entrée d'air 20 possède une portion de lèvre d'entrée d'air 21 constituant un bord d'attaque de la nacelle, et une portion aval 22 d'atténuation acoustique. 25 La portion de lèvre d'entrée d'air 21 est généralement réalisée en matériau composite plein formant une structure monolithique. De manière générale, cette portion de lèvre d'entrée d'air 21 est réalisée à partir d'ensembles de plis fibreux noyés dans une matrice de résine. La portion aval 22 d'atténuation acoustique est quant à elle réalisée 30 sous la forme d'un matériau sandwich comprenant une âme alvéolaire 23 pris en sandwich entre une peau externe 24 acoustique perforée réalisée à partir de plis fibreux noyés dans une résine, et une peau interne 25 pleine, également réalisée à partir de plis fibreux noyés dans une résine. Comme expliqué précédemment, cette structure d'entrée d'air 20 35 est équipée d'un système de dégivrage électrique (non représenté) comprenant un ensemble de tapis chauffants résistifs intégrés à la structure ou rapportés sur celle-ci. Conformément à l'invention, la structure d'entrée d'air 20 est équipée d'une pluralité de capteurs 10a, 10b, 10c, 10d, 10e de température linéaires disposés en contact avec ladite structure de manière à ce qu'un transfert de chaleur entre ladite structure et le capteur s'effectue au moins partiellement par conduction thermique. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, la structure d'entrée d'air 20 comprend un premier capteur 10a disposé au niveau de la lèvre d'entrée 21 10 d'air et rapporté sur une surface, en l'espèce interne, de ladite structure. La structure de lèvre d'entrée d'air 21 est équipée d'un deuxième capteur 10b intégrée dans la structure composite monolithique. Plus précisément, les capteurs pourront être disposés entre des plis fibreux ou rapportés lors du procédé de fabrication de la structure, tant que le traitement 15 de polymérisation de la résine ne dépasse pas la température maximale supportée par le capteur 10b au et au delà de laquelle le sel eutectique sera dénaturé. La portion aval 22 sandwich est également équipée de capteurs de températures linéaires 10c, 10d, 10e. 20 Plus précisément, le capteur 10c est rapporté au niveau de la peau interne 25 pleine de la structure sandwich. Par ailleurs, ce capteur est entouré d'un matériau isolant 111. Le capteur 10d est disposé au niveau d'une interface entre la peau externe 24 et l'âme alvéolaire 23. 25 Le capteur 10e est disposé au sein de l'âme alvéolaire 23. On notera qu'il est également entouré d'une gaine isolante 111. Bien évidemment, les arrangements des capteurs 10a à 10e sont donnés à titre d'exemple et ne sont pas limitatifs. Leurs spécificités étant combinables entre elles. 30 De manière avantageuse, et comme cela est représenté figure 3, le ou les capteurs 10 pourront être arrangés pour former au moins sur une ou plusieurs portions de leur longueur, des serpentins de manière à ainsi couvrir une surface de détection plus importante. Une telle disposition permet également de mesurer la température de façon quasi continue sur toute la 35 périphérie de l'entrée de l'air. Il est bien évidemment possible d'augmenter la densité de couverture dans des zones sensibles, notamment quand la position probable des points chauds varie en fonction de l'incidence de l'avion. Outre une détection de température permettre une détection de surchauffe du matériau composite, l'utilisation de tels capteurs linéaires 10 5 permet également de réguler la température et le fonctionnement du système de dégivrage. Plus précisément, un tel capteur linéaire 10 est initialement prévu pour détecter une température supérieure au point de fusion du sel eutectique le garnissant. Il s'agit donc de détecter une surchauffe. 10 La figure 4 montre des cycles de détection de surchauffe par un capteur linéaire 10 à sel eutectique calibré pour présenter température de fusion de 124°C. La courbe T représente la température à laquelle le capteur est soumis en fonction du temps en secondes. 15 La courbe Ri représente la mesure de la résistance d'isolement du capteur en fonction du temps. Dans un tel mode visant à détecter les surchauffes, le nombre de surchauffes vu par le capteur en conditions réelles dans son utilisation standard reste faible. 20 Les capteurs peuvent également être utilisés pour une régulation de chauffe. La figure 5 montre des cycles de régulation en température, c'est à dire que la chauffe est régulée en utilisant les données fournies par le capteur linéaire. 25 La courbe H, représente les cycles de chauffage en fonction du temps (secondes) La courbe T représente la température régulée en fonction du temps. La courbe R, représente la résistance d'isolement de la gaine 30 céramique mesurée par le capteur. Dans un tel mode de régulation, le nombre de surchauffes vues par le capteur est bien plus important que lors de son utilisation en mode détection de surchauffe. Il convient de noter qu'une utilisation en régulation de chauffe 35 permet également une utilisation en mode détection de surchauffe.

Il est possible de mettre en oeuvre plusieurs variantes de systèmes de régulation de chauffe. Tout d'abord, il est possible de mettre en oeuvre un système de régulation de chauffe entre deux températures seuil. Pour ce faire, on utilisera 5 deux capteurs linéaires 10 possédant des températures seuil différentes. Dans le cas d'espèce des matériaux composites aéronautiques, on pourra plus particulièrement utiliser un capteur de température haute possédant une température seuil de 124°C et un capteur de température basse possédant une température seuil de 80°C. 10 La structure pourra être chauffée jusqu'à ce que le seuil haut de 124°C soit atteint (fonte du sel eutectique et détection de conductivité). Le sel du capteur bas (80°C) est également à l'état fondu. La chauffe est arrêtée jusqu'à ce que la température redescende et que le sel du capteur bas 80°C repasse à l'état solide et rende à nouveau la 15 gaine céramique du capteur isolante. Lorsque le retour à un caractère isolant est mesuré, un nouveau cycle de chauffe est déclenché par un contrôleur. Il est également possible d'effectuer une régulation autour d'un seul seuil en utilisant un ou plusieurs capteurs possédant une température seuil identique et unique. Un tel mode de réalisation a été décrit précédemment par 20 rapport à la figure 5. Il est encore possible d'effectuer une régulation et une détection de surchauffe avec le même capteur linéaire. En effet, un capteur possédant une température seuil de, par exemple, 124°C peut-être utilisé comme capteur de régulation à une température inférieure, par exemple 80°C, en mesurant la 25 résistance d'isolement de la céramique qui varie de façon régulière et répétitive avec la température. En cas de problème de chauffe, le même capteur détecte la surchauffe par un affaissement brutal de la résistance d'isolement de la céramique en raison de la fonte du sel eutectique. Bien évidemment, les solutions présentées peuvent être combinées 30 entre elles ainsi qu'avec d'autres types de capteurs de température, notamment ponctuels. Bien que l'invention ait été décrite avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs 35 combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

En particulier, bien que spécifiquement iltsutré dans le cadre d'une structure d'entrée d'air de nacelle de turboréacteur, la présente invention peut trouver à s'appliquer dans d'autres structures en matériau composite, notamment au niveau d'une structure interne fixe entourant la chambre de combustion du turboréacteur et communément désignée sous le terme IFS.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Structure d'aéronef réalisée au moins partiellement en REVENDICATIONS1. Structure d'aéronef réalisée au moins partiellement en matériau composite caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un capteur de température linéaire disposé en contact avec ladite structure de manière à ce qu'un transfert de chaleur entre ladite structure et le capteur s'effectue au moins partiellement par conduction thermique.
2. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur linéaire est un capteur à sel eutectique.
3. 3. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure est une structure d'entrée d'air de nacelle de turboréacteur, et plus particulièrement une structure de lèvre d'entrée d'air.
4. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le capteur linéaire est rapporté sur une surface de ladite structure.
5. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le capteur linéaire est intégré dans la structure composite.
6. 6. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que le capteur linéaire est disposé au niveau d'une âme, notamment alvéolaire ou en mousse, du matériau composite.
7. 7. Structure selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur linéaire est disposé dans une matrice, notamment en résine, du matériau composite.
8. 8. Structure selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur linéaire est disposé entre deux plis fibreux du matériau composite.
9. 9. Structure selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur linéaire est disposé entre un pli fibreux et une âme, notamment alvéolaire ou en mousse, du matériau composite.
10. 10. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le capteur linéaire est recouvert au moins partiellement d'une couche d'isolant thermique visant à améliorer la mesure de température.
11. 11.Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ladite structure est équipée d'au moins un moyen de chauffage, préférentiellement électrique.
12. 12.Structure selon la revendication 11, caractérisée en ce la 15 structure est associée à au moins un système de régulation de chauffe lié au moyen de chauffage et au capteur.
13. 13.Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le capteur linéaire est disposé de 20 manière à former sur au moins une partie de sa longueur un serpentin.
14. 14. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux capteurs 25 linéaires possédant chacun une température seuil différente.