Modeling of the degradation of the lubricant oil in an aero engine

Des températures de fonctionnement plus élevées et une diminution de la consommation en huile dans les turboréacteurs de future génération risquent d’entraîner une dégradation de l’huile plus importante que sur les moteurs actuels. Il est donc nécessaire de suivre l’évolution de cette dégradation. Ce travail de thèse a pour objectif de comprendre les mécanismes réactionnels d’oxydation de l’huile dans un turboréacteur en s’intéressant plus particulièrement à l'influence et au comportement des deux additifs antioxydants (PAN, DODPA). Dans un premier temps, des essais d’oxydation accélérée ont été réalisés sur le PetroOxy afin d’identifier les produits de réaction, de hiérarchiser le rôle des additifs antioxydants dans ces conditions d’essai et d’optimiser les techniques de caractérisation (HPLC et FTIR) utilisées au cours de cette thèse. Dans un second temps, la décomposition en plusieurs mélanges représentatifs de l’huile de lubrification a permis de démontrer que la consommation du PAN était plus élevée que celle du DODPA. En effet, les produits formés par le PAN sont des produits finaux (dont la quantité ne cesse d’augmenter avec le temps) tandis que le DODPA est capable de produire des composés ayant également un effet antioxydant. Ces derniers vont se former puis réagir avec les radicaux libres, ce qui permet de ralentir la consommation de l’antioxydant d’origine (le DODPA). Les études menées sur le vieillissement d’un film d’huile sur une plaque plane ont permis de mieux appréhender les mécanismes dans un environnement plus proche de celui du moteur. L’efficacité du DODPA vis à vis du PAN a été mise en évidence. De plus, l’effet synergique dû à la combinaison de ces deux antioxydants dans l’huile a été démontré. Par ailleurs, l’étude sur l’influence des paramètres a permis de déterminer les constantes cinétiques nécessaires pour construire le modèle cinétique de prévision de la consommation des antioxydants sur une plaque inclinée. Un banc d’oxydation permettant de reproduire les conditions de fonctionnement d’un système huile présent dans un turboréacteur a été conçu au cours de cette thèse. Le but de ce montage est de distinguer les 3 modes de vieillissement de l’huile qui sont : liquide (dans le réservoir et les canalisations), brouillard (à la sortie des roulements) et film (s’écoulant sur les parois des enceintes) afin d’être capable d’étudier les mécanismes d’oxydation régissant les 3 états. Enfin, la comparaison des résultats obtenus pour chaque mode de vieillissement étudié a permis de déterminer une teneur minimum en antioxydant nécessaire dans l’huile (soit 30 %) pour que l’ester de néopolyol ne soit pas affecté par l’oxydation, autrement dit, pour que l’huile garderait une qualité suffisante pour assurer son fonctionnement dans le turboréacteur.Higher operating temperatures and lower oil consumption in future-generation of turbo engines may result in greater oil degradation than current engines. It is therefore necessary to follow the evolution of this degradation. This thesis aims to understand the oxidation by free radical chain reactions of a neopolyol ester lubricant in a turbo engine, focusing more particularly on the influence and behaviour of the two antioxidants additives (PAN, DODPA). Accelerated oxidation tests were carried out on the PetroOxy device in order to identify the degradation products, to prioritize the role of the antioxidant additives under these test conditions and to optimize the characterization techniques (HPLC and FTIR) used during this thesis. The decomposition into several representative mixtures of the lubricating oil made it possible to demonstrate that the consumption of the PAN was higher than that of DODPA. In fact, the products formed by the PAN are final products (the quantity of which keeps increasing over time) while the DODPA is able to produce compounds that also have an antioxidant effect. These will form and react with free radicals, which will slow down the consumption of the original antioxidant (DODPA). Studies conducted on the ageing of thin film oil on a flat plate have helped to better understand the mechanisms in an environment closer to that of the engine. The effectiveness of DODPA regarding PAN has been highlighted. In addition, the synergistic effect due to the combination of these two antioxidants in the oil has been demonstrated. Finally, the study on the influence of the parameters made it possible to calculate the kinetic constants useful for the formulation of the kinetic model, which provides the prediction of the consumption rate of the antioxidants on an inclined plate. A test bench reproducing the operating conditions of an oil system present in a turbo engine was designed and built during this thesis. The purpose of this assembly is to distinguish the 3 modes of ageing of the lubricant, which are : bulk oil (in the tank and the pipes), mist (at the exit of the bearings) and thin film (flowing on the walls of the enclosures) in order to study the oxidation mechanisms governing the 3 states. Finally, the comparison of the results obtained for each mode of ageing studied made it possible to determine a minimum antioxidant content required in the lubricant (i.e. 30 %) so that the neopolyol ester is not affected by the oxidation, in others words, the lubricant will keep a sufficient quality to ensure its operation in the turbo engine