WO2024252096A1 - Dispositif de détection de carburant dans l'huile par analyse de phase gazeuse - Google Patents

Dispositif de détection de carburant dans l'huile par analyse de phase gazeuse Download PDF

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Gatien REVOL
Victor Henri Marius VARENNE
Jérôme Rigouste
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Safran Aircraft Engines SAS
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    • F05D2260/80—Diagnostics

Definitions

  • the invention relates to the field of engine lubrication circuits and more particularly to the prevention of pollution of such circuits.
  • the lubrication system In aircraft the lubrication system is essential to ensure the proper functioning of the engines. However, the lubrication system can be contaminated by fuel, which can cause problems with engine performance and flight safety, particularly due to the risk of ignition. Fuel detection in the lubrication system is therefore crucial to ensure the reliability and safety of aircraft.
  • Heat exchangers are used to transfer heat generated by engines from the lubrication system to the fuel system to preheat the fuel before it is injected into the engines. These heat exchangers between the lubrication system and the fuel system can leak, which can cause fuel to contaminate the lubrication system.
  • Fuel detection technologies in the lubrication system for aircraft, such as infrared absorption spectroscopy, Raman spectroscopy, and electrical impedance analysis. These technologies are designed to detect the presence of fuel in different parts of the lubrication system, including filters, heat exchangers, and lines. Fuel detection systems must be robust and reliable to operate under varying environmental conditions, such as high temperatures and pressures, as well as in environments with vibration and shock. Since fuels and lubricants have similar chemical properties, it is difficult to clearly establish the presence of fuel in the oil for low concentrations of fuel in the lubricant. Given the implications of the presence of fuel in the oil, even at very low concentrations, a reliable and sensitive device is required.
  • the invention aims to improve the sensitivity of fuel detection in a lubricant circuit.
  • a turbomachine comprising a lubrication circuit traversed by a lubricant and a supply circuit traversed by a fuel, the lubrication circuit comprising an enclosure in which a liquid phase and a gaseous phase are established, the lubrication circuit also comprising a sensor arranged to detect the presence of fuel vapor in the column.
  • a fluid connection between the sensor and the enclosure comprises an anti-splash device.
  • the anti-splash device comprises a column and/or a grid and/or a membrane
  • the sensor is a platinum wire catalytic sensor
  • the enclosure is an oil tank
  • the sensor is fluidically connected to the enclosure by an oiled air pipe
  • the turbomachine comprises a device for generating the gas phase
  • the device for generating the gas phase comprises a heating device.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a turbomachine as described above as well as a method for detecting a leak from a supply circuit traversed by a fuel to a lubrication circuit traversed by a lubricant in such a turbomachine, the method comprising the following steps: taking a portion of the gas phase from the enclosure; detecting the presence of fuel vapor in the gas phase; issuing an alert when the gas phase contains a quantity of fuel vapor greater than a predetermined threshold.
  • the method comprises an additional step of generating the gas phase, preferably by heating.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional representation of a turbomachine
  • Figure 2 is a partial schematic plan view of a fuel circuit and a carburetion circuit according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of the sensor of Figure 2.
  • a turbomachine here a turbojet engine marked 1 in Figure 1
  • the air is admitted into an inlet sleeve 2 to pass through a fan comprising a series of rotating blades 3 before splitting into a central primary flow which circulates in a vein called a circulation vein of a primary air flow and a secondary flow surrounding the primary flow.
  • the primary flow is compressed by compressor stages 4 and 5 before reaching a combustion chamber 6, after which it expands by passing through turbines 7, before being evacuated by generating thrust.
  • the secondary flow is propelled directly by the fan to generate the main thrust.
  • the compressor stages 4 and 5 comprise fixed distributors regularly spaced around a shaft 8 mounted to rotate about a longitudinal axis AX in a nacelle 9 surrounding the assembly.
  • the blades of the compressor stages 4 and 5 and of the turbines 7 are integral in rotation with the shaft 8.
  • the shaft 8 is mounted to rotate relative to the nacelle 9 using several bearings 10 lubricated with oil and which are confined in enclosures 11.
  • the terms “inner” or “internal” and “outer” or “external” are used in reference to the position or orientation relative to the axis of rotation of the turbine of the turbojet engine 1.
  • the terms “upstream” and “downstream” are used in reference to the position or orientation of an element according to the direction of air flow in the turbojet engine 1.
  • An axial direction, a radial direction which is orthogonal to the axial direction and a circumferential direction which is orthogonal to the axial and radial directions are also defined.
  • the turbojet 1 comprises a lubrication circuit 20 traversed by a lubricant 21 and a supply circuit 40 traversed by a fuel 41.
  • the lubrication circuit 20 comprises an enclosure 22 - here a tank - in which a liquid phase 23 and a gas phase 24 of the lubricant 21 are established.
  • the lubrication circuit 20 comprises a pump 25 and is connected to a heat exchanger 50 to constitute the hot circuit.
  • the supply circuit 40 is also connected to the exchanger 50 to constitute the cold circuit. The calories from the lubrication circuit 20 are thus transferred to the supply circuit 40.
  • An oiled air pipe 26 is connected to the enclosure 22.
  • a column T1 is tapped into the pipe 26 by its first end 28 to be fluidically connected to the enclosure 22 so as to be traversed by the gas phase 24.
  • the second end 29 of the column T1 is provided with a sensor 30 of the platinum wire catalytic type.
  • the end 28 is equipped with an anti-splash device, here a membrane 31.
  • An electric heater 60 extends against a wall - here a bottom 22.1 - of the enclosure 22.
  • a suction device such as a vacuum pump or jet pump, can also be used to create the vapor phase. It is sufficient to place it at the top of the oiled air pipe 26. It is then possible to add between the enclosure 22 and the pipe 26, an anti-splash device like that at the end 28, in order to guarantee the presence only of vapor in the pipe 26 and in the suction device at its top.
  • the pump 25, the sensor 30 and the electric heater 60 are connected to a control and command unit 70.
  • the sensor 30 and its operation will be described in more detail with reference to FIG. 3.
  • the sensor 30 comprises a platinum wire 32 which describes a first set of turns 33 and a second set of turns 34.
  • the first set 33 is covered with a catalyst 35 to constitute a resistive measuring circuit with catalytic wire and the second set 34 is covered with a deactivator 36 to constitute a resistive reference circuit.
  • the assemblies 33 and 34 are respectively protected by a ceramic coating 33.1 and 34.1 and have a common terminal 37.
  • the first set 33 comprises a free terminal 38 for measurement and the second set 34 comprises a free terminal 39 for reference.
  • the sensor 30 operates by measuring the electrical conductivity of the platinum wire 32.
  • the catalyst 35 of the platinum wire 32 allows the fuel vapor molecules to react with the oxygen naturally present in the air. This reaction modifies the physical properties of the platinum wire and in particular its electrical conductivity and therefore the voltage between terminals 37 and 38.
  • the voltage measured between terminals 37 and 39 of the reference electrode provides a stable reference for measuring the electrical conductivity of the catalytic platinum wire and thus canceling the effects of parameters environmental factors that may affect the measurement between terminals 37 and 38 such as ambient temperature and ambient pressure.
  • the device of the invention follows the following steps.
  • the unit 70 controls the start-up of the heater 60 in order to generate the gas phase 24.
  • the column T1 takes a portion of the gas phase 24 from the enclosure 22 and brings it to the sensor 30.
  • the unit 70 measures the current between the terminals 37 and 38 and performs a measurement compensation using a measurement made between the terminals 37 and 39.
  • the unit 70 interprets the results obtained and detects or not the presence of fuel vapor 41 in the gas phase 24.
  • the unit 70 issues an alert when the gas phase 24 contains a quantity of fuel vapor 41 greater than a predetermined threshold.
  • the invention also applies to a device without a column in which the sensor would be located on a wall of the oiled air pipe or directly in the enclosure; although here the column is tapped into the pipe, the invention also applies to other connection methods between the column and the enclosure, such as a branch tee;
  • the invention also applies to other types of sensors arranged to detect the presence of fuel vapor in the column, such as for example an infrared sensor or a Davy type sensor or an electrochemical detector; although here the anti-splash device comprises a membrane, the invention also applies to other types of anti-splash device such as for example a grid or a baffle; although here a heater is used to generate the gas phase, the invention also applies to a measuring device without heater, the gas phase being generated by natural evaporation.

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Abstract

Turbomachine comprenant un circuit de lubrification (20) parcouru par un lubrifiant (21) et un circuit d'alimentation (40) parcouru par un carburant (41), le circuit de lubrification (20) comprenant une enceinte (22) dans laquelle s'établit une phase liquide (23) et une phase gazeuse (24), le circuit de lubrification (20) comprenant également un capteur (30) agencé pour détecter la présence de vapeur de carburant (41) dans la phase gazeuse (24). Aéronef pourvu d'une telle turbomachine. Procédé de détection de fuites.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L'INVENTION
DISPOSITIF DE DETECTION DE CARBURANT DANS L’HUILE PAR ANALYSE DE PHASE GAZEUSE
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine des circuits de lubrification des moteurs et plus particulièrement à la prévention de la pollution de tels circuits.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans les aéronefs le circuit de lubrification est essentiel pour assurer le bon fonctionnement des moteurs. Cependant, le circuit de lubrification peut être contaminé par du carburant, ce qui peut causer des problèmes de performance du moteur et de sécurité en vol, notamment en raison du risque d'inflammation. La détection de carburant dans le circuit de lubrification est donc cruciale pour assurer la fiabilité et la sécurité des avions.
Des échangeurs thermiques sont utilisés pour transférer la chaleur générée par les moteurs du circuit de lubrification au circuit de carburant pour préchauffer le carburant avant qu'il ne soit injecté dans les moteurs. Ces échangeurs thermiques entre le circuit de lubrification et le circuit de carburant peuvent présenter des fuites, ce qui peut causer la contamination du circuit de lubrification par du carburant.
Il existe plusieurs technologies de détection de carburant dans le circuit de lubrification pour les aéronefs, telles que la spectroscopie d'absorption infrarouge, la spectroscopie Raman et l'analyse de l'impédance électrique. Ces technologies sont conçues pour détecter la présence de carburant dans différentes parties du circuit de lubrification, y compris les filtres, les échangeurs de chaleur et les conduites. Les systèmes de détection de carburant doivent être robustes et fiables pour fonctionner dans des conditions environnementales variables, telles que des températures et des pressions élevées, ainsi que dans des environnements présentant des vibrations et des chocs. Les carburants et les lubrifiants ayant des propriétés chimiques proches, il est difficile de clairement établir la présence de carburant dans l'huile pour des concentrations faibles de carburant dans le lubrifiant. Au vu des incidences de la présence de carburant dans l'huile, même à des concentrations très faibles, il est nécessaire de disposer d'un dispositif fiable et sensible.
OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour but d'améliorer la sensibilité de la détection de carburant dans un circuit de lubrifiant.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, on prévoit une turbomachine comprenant un circuit de lubrification parcouru par un lubrifiant et un circuit d'alimentation parcouru par un carburant, le circuit de lubrification comprenant une enceinte dans laquelle s'établit une phase liquide et une phase gazeuse, le circuit de lubrification comprenant également un capteur agencé pour détecter la présence de vapeur de carburant dans la colonne.
On obtient alors une turbomachine équipée d'un dispositif de mesure fiable et robuste qui analyse un paramètre particulier (phase gazeuse) qui est naturellement plus dense en information et dont l'analyse est plus aisée et peut se conduire à l'aide de capteurs robustes et fiables.
Selon d'autres modes de réalisation particuliers, non exclusifs et optionnels de l'invention : une liaison fluidique entre le capteur et l'enceinte comprend un dispositif anti-éclaboussure.
- le dispositif anti-éclaboussure comprend une colonne et/ou une grille et/ou une membrane ; le capteur est un capteur catalytique à fil de platine ; l'enceinte est un réservoir d'huile; le capteur est fluidiquement relié à l'enceinte par une canalisation d'air huilé ; la turbomachine comprend un dispositif de génération de la phase gazeuse ; le dispositif de génération de la phase gazeuse comprend un dispositif de chauffage.
L'invention concerne également un aéronef comprenant une turbomachine tel que décrit ci-dessus ainsi qu'un procédé de détection de fuite depuis un circuit d'alimentation parcouru par un carburant vers un circuit de lubrification parcouru par un lubrifiant dans une telle turbomachine, le procédé comprenant les étapes suivantes : prélever une portion de la phase gazeuse de l'enceinte ; détecter la présence de vapeur de carburant dans la phase gazeuse ; émettre une alerte lorsque la phase gazeuse contient une quantité de vapeur de carburant supérieure à un seuil prédéterminé.
Avantageusement, le procédé comprend une étape supplémentaire de générer la phase gazeuse, préférentiellement par chauffage.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux figures jointes parmi lesquelles :
[Fig. 1] la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'une turbomachine ;
[Fig. 2] la figure 2 est une représentation schématique partielle en plan d'un circuit d'alimentation et d'un circuit de carburation selon l'invention ;
[Fig. 3] la figure 3 est une représentation schématique du capteur de la figure 2. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans une turbomachine, ici un turboréacteur repéré 1 dans la figure 1, l'air est admis dans une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante comportant une série de pales rotatives 3 avant de se scinder en un flux primaire central qui circule dans une veine dite de circulation d'un flux d'air primaire et un flux secondaire entourant le flux primaire. Le flux primaire est compressé par des étages de compresseurs 4 et 5 avant d'atteindre une chambre de combustion 6, après quoi il se détend en traversant des turbines 7, avant d'être évacué en générant une poussée. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement par la soufflante pour générer la poussée principale.
Les étages de compresseurs 4 et 5 comprennent des distributeurs fixes régulièrement espacés autour d'un arbre 8 monté à rotation autour d'un axe longitudinal AX dans une nacelle 9 entourant l'ensemble. Les pales des étages de compresseurs 4 et 5 et des turbines 7 sont solidaires en rotation de l'arbre 8. L'arbre 8 est monté à rotation relativement à la nacelle 9 à l'aide de plusieurs paliers 10 lubrifiés à l'huile et qui sont confinés dans des enceintes 11.
Dans le présent texte, les termes « intérieur » ou « interne » et « extérieur » ou « externe » sont utilisés en référence à la position ou l'orientation par rapport à l'axe de rotation de la turbine du turboréacteur 1. Dans le présent texte, les termes « amont » et « aval » sont utilisés en référence à la position ou l'orientation d'un élément selon le sens d'écoulement de l'air dans le turboréacteur 1. Il est également défini une direction axiale, une direction radiale qui est orthogonale à la direction axiale et une direction circonférentielle qui est orthogonale aux directions axiale et radiale.
Le turboréacteur 1 comprend un circuit de lubrification 20 parcouru par un lubrifiant 21 et un circuit d'alimentation 40 parcouru par un carburant 41. Le circuit de lubrification 20 comprend une enceinte 22 -ici un réservoir- dans laquelle s'établit une phase liquide 23 et une phase gazeuse 24 du lubrifiant 21. Le circuit de lubrification 20 comprend une pompe 25 et est relié à un échangeur de chaleur 50 pour en constituer le circuit chaud. Le circuit d'alimentation 40 est également relié à l'échangeur 50 pour en constituer le circuit froid. Les calories du circuit de lubrification 20 sont ainsi cédées au circuit d'alimentation 40. Une conduite 26 d'air huilé est reliée à l'enceinte 22. Une colonne Tl vient en piquage sur la conduite 26 par sa première extrémité 28 pour être fluidiquement reliée à l'enceinte 22 de manière à être parcourue par la phase gazeuse 24. La deuxième extrémité 29 de la colonne Tl est pourvue d'un capteur 30 de type catalytique à fil de platine. L'extrémité 28 est équipé d'un dispositif anti-éclaboussure, ici une membrane 31.
Un chauffage électrique 60 s'étend contre une paroi - ici un fond 22.1- de l'enceinte 22. Un dispositif d'aspiration, type pompe à vide ou trompe à jet, peut également être utilisé pour créer de la phase vapeur. Il suffit de le placer au sommet de la conduite d'air huilé 26. On peut alors ajouter entre l'enceinte 22 et la conduite 26, un dispositif anti éclaboussure comme celui à l'extrémité 28, afin de garantir la présence uniquement de vapeur dans la conduite 26 et dans le dispositif aspirant à son sommet.
La pompe 25, le capteur 30 et le chauffage électrique 60 sont reliés à une unité de contrôle et de commande 70.
Le capteur 30 et son fonctionnement vont être décrits plus en détail en référence à la figure 3. Le capteur 30 comprend un fil de platine 32 qui décrit un premier ensemble de spires 33 et un deuxième ensemble de spires 34. Le premier ensemble 33 est recouvert d'un catalyseur 35 pour constituer un circuit résistif de mesure à fil catalytique et le deuxième ensemble 34 est recouvert d'un désactivant 36 pour constituer un circuit résistif de référence. Les ensembles 33 et 34 sont respectivement protégés par un revêtement en céramique 33.1 et 34.1 et possèdent une borne commune 37. Le premier ensemble 33 comprend une borne libre 38 de mesure et le deuxième ensemble 34 comprend une borne libre 39 de référence.
Le capteur 30 fonctionne en mesurant la conductivité électrique du fil de platine 32.
Le catalyseur 35 du fil de platine 32 permet aux molécules de vapeur de carburant de réagir avec l'oxygène naturellement présent dans l'air. Cette réaction modifie les propriétés physiques du fil de platine et notamment sa conductivité électrique et donc la tension entre les bornes 37 et 38. La tension mesurée entre les bornes 37 et 39 de l'électrode de référence fournit une référence stable pour mesurer la conductivité électrique du fil de platine catalytique et ainsi annuler les effets de paramètres environnementaux pouvant affecter la mesure entre les bornes 37 et 38 comme par exemple la température ambiante et la pression ambiante.
Lorsque des molécules de vapeur de carburant 41 sont présentes dans la phase gazeuse 24, elles réagissent avec le catalyseur 35 sur le fil 32, modifiant sa conductivité électrique. Cette variation de résistance est mesurée et est proportionnelle à la concentration de vapeur de carburant dans la phase gazeuse 24.
En fonctionnement, le dispositif de l'invention suit les étapes suivantes. Selon un première étape, l'unité 70 commande la mise en marche du chauffage 60 afin de générer la phase gazeuse 24. Selon une deuxième étape, la colonne Tl prélève une portion de la phase gazeuse 24 de l'enceinte 22 et l'amène au capteur 30. Selon une troisième étape, l'unité 70 mesure le courant entre les bornes 37 et 38 et réalise une compensation de mesure à l'aide d'une mesure réalisée entre les bornes 37 et 39. L'unité 70 interprète les résultats obtenus et détecte ou non la présence de vapeur de carburant 41 dans la phase gazeuse 24. Selon une dernière étape, l'unité 70 émet une alerte lorsque la phase gazeuse 24 contient une quantité de vapeur de carburant 41 supérieure à un seuil prédéterminé.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.
En particulier, bien qu'ici le capteur soit situé en l'extrémité de la colonne, l'invention s'applique également à un dispositif dépourvu de colonne dans lequel le capteur serait située sur une paroi de la conduite d'air huilé ou directement dans l'enceinte ; bien qu'ici la colonne vienne en piquage sur la conduite, l'invention s'applique également à d'autres modalités de liaison entre la colonne et l'enceinte, comme par exemple un Té de dérivation ;
-bien qu'ici le capteur soit un capteur catalytique à fil de platine, l'invention s'applique également à s'autres types de capteurs agencés pour détecter la présence de vapeur de carburant dans la colonne, comme par exemple un capteur infrarouge ou un capteur de type Davy ou un détecteur électrochimique; bien qu'ici le dispositif anti- éclaboussure comprenne une membrane, l'invention s'applique également à d'autres types de dispositif anti-éclaboussure comme par exemple une grille ou une chicane ; bien qu'ici un chauffage soit utilisé pour générer la phase gazeuse, l'invention s'applique également à un dispositif de mesure dépourvu de chauffage, la phase gazeuse étant générée par évaporation naturelle.

Claims

REVENDICATIONS
1. Turbomachine (1) comprenant un circuit de lubrification (20) parcouru par un lubrifiant (21) et un circuit d'alimentation (40) parcouru par un carburant 41, le circuit de lubrification (20) comprenant une enceinte (22) dans laquelle s'établit une phase liquide (23) et une phase gazeuse (24), le circuit de lubrification (20) comprenant également un capteur (30) agencé pour détecter la présence de vapeur de carburant (41) dans la phase gazeuse (24) dans laquelle une liaison fluidique entre le capteur (30) et l'enceinte (22) comprend un dispositif anti-éclaboussure (31).
2. Turbomachine (1) selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif anti-éclaboussure (31) comprend une colonne (27) et/ou une grille et/ou une membrane (31).
3. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur (30) est un capteur catalytique à fil de platine (32).
4. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'enceinte (22) est un réservoir d'huile.
5. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le capteur (30) est fluidiquement relié à l'enceinte par une canalisation (26) d'air huilé.
6. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif de génération (60) de la phase gazeuse (24).
7. Turbomachine (1) selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de génération de la phase gazeuse comprend un dispositif de chauffage (60).
8. Aéronef comprenant une turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
9. Procédé de détection de fuite depuis un circuit d'alimentation (40) parcouru par un carburant (41) vers un circuit de lubrification (20) parcouru par un lubrifiant (21) dans une turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant les étapes suivantes : prélever une portion de la phase gazeuse (24) de l'enceinte (22); détecter la présence de vapeur de carburant (41) dans la phase gazeuse (24); émettre une alerte lorsque la phase gazeuse (24) contient une quantité de vapeur de carburant (41) supérieure à un seuil prédéterminé.
10. Procédé de détection de fuite selon la revendication 9, comprenant une étape supplémentaire de générer la phase gazeuse (24), préférentiellement par chauffage.
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