Composite Aircraft Engine Fire Walls : a Small-Scale Experimental Testbed to study Thermomechanical Degradation under Fire

Cette thèse traite du comportement de dégradation des matériaux composites époxy renforcés de fibres de carbone exposés à une flamme. Ces composants légers sont utilisés comme des revêtements acoustiques pare-feu ou des nacelles dans les moteurs d'avion turbofan. Ils forment les limites de ce qu'on appelle les zones de feu, à l'interface entre le flux d'air primaire ou secondaire et les sections accessoires. En cas d'incendie indésirable, ces composants doivent agir contre la combustion et empêcher la propagation des flammes, laissant ainsi à l'équipage suffisamment de temps pour détecter le problème et poser l'avion en toute sécurité. Dans le cadre du vaste processus de certification, ces composants doivent subir des essais de résistance au feu pour démontrer qu'ils peuvent résister à une attaque de flamme pendant une durée prescrite tout en conservant leurs propriétés mécaniques. Les normes de certification fournissent des lignes directrices claires pour la mise en place et la procédure des essais, mais les résultats obtenus à l'aide des installations conventionnelles manquent d'une information essentielle : ils ne fournissent pas une mesure des propriétés matérielles des composants testés et de leur évolution dans le temps, mais seulement un simple verdict de réussite/échec. Cette lacune des tests de certification actuels motive le développement d'installations d'essai à petite échelle, comme celle présentée ici, recréant les conditions prescrites dans les normes de certification, mais à un coût moindre et dans des environnements où la dégradation des matériaux peut être évaluée en détail. Les résultats recueillis lors de ces expériences sont destinés à soutenir le développement de modèles numériques et à guider les choix de nouveaux systèmes de matériaux adaptés aux applications aérospatiales à haute température. Un état de l'art détaillé des essais de résistance au feu est d'abord présenté : normes applicables, conditions d'essai et équipement à grande échelle. Un essai de résistance au feu est défini par trois caractéristiques principales : le type de source de chaleur et son flux thermique nominal, l'orientation et la taille de l'éprouvette et les critères de défaillance évalués. Dans le cas des essais au feu, un spécimen monté verticalement est exposé à une flamme calibrée provenant d'un brûleur à mazout et différents critères de défaillance, tels que la combustion continue de l'échantillon ou la pénétration du feu, sont évalués. Bien que le montage d'essai à grande échelle soit commenté à plusieurs reprises dans la thèse, l'objectif principal est l'étude de l'interaction flamme-échantillon à échelle réduite. L'étude de cette interaction exige d'abord le développement d'une infrastructure scientifique capable de recréer des conditions similaires à celles de la certification dans un environnement bien contrôlé et ensuite la mise en oeuvre d'outils de diagnostic appropriés pour évaluer les paramètres qui sont essentiels pour décrire la dégradation thermique des matériaux. La thèse contribue à ces deux sujets, par le développement d'une infrastructure et de méthodes ainsi que par une étude de cas sur la résistance au feu des composites en fibre de carbone. Les méthodes expérimentales présentées comprennent la conception et la mise en oeuvre d'une nouvelle installation à petite échelle. Point de vue novateur dans les essais au feu à l'échelle du banc, cette installation comprend un brûleur au kérosène qui peut atteindre les valeurs de flux thermique et de température de flamme exigées par les normes de certification, mais à une puissance de brûleur considérablement réduite. En outre, des torches à gaz largement utilisées dans les essais scientifiques ont été implementées pour recréer les expériences de pointe de la littérature. Tous les brûleurs ont été calibrés pour atteindre la densité du flux thermique et les températures de flamme spécifiées dans les normes de certification sur une gamme de conditions de fonctionnement, permettant l'étude de l'effet du type de combustible et du rapport d'équivalence de flamme. Les résultats obtenus sont comparés à travers différentes échelles de test pour assurer la cohérence. La thèse se penche sur les méthodes expérimentales (thermographie infrarouge, jauges à couche mince et calorimétrie) et les défis associés pour mesurer la densité du flux thermique et la température de la flamme ou l'émissivité et les températures de l'échantillon. L'une des principales sources d'erreur lors de la mesure de la température de surface d'un matériau se dégradant rapidement à l'aide de la thermographie infrarouge conventionnelle est la variation de l'émissivité. Pour surmonter cette difficulté, nous proposons une technique basée sur la pyrométrie bicolore qui ne nécessite pas la connaissance a priori de l'émissivité de l'échantillon. La thèse fournit une introduction au sujet et discute en détail le modèle de transfert radiatif et la sélection du matériel nécessaire pour réduire les contributions d'erreur globale. Au lieu de mesurer le signal sur une large gamme spectrale, le rapport des signaux acquis à travers deux filtres passe-bande étroits est utilisé sous l'hypothèse principale que la scène est restée inchangée. Cela nécessite toutefois que la fréquence d'acquisition de la caméra et la sélection des filtres optiques soient adaptées à l'expérience. Nous proposons également une méthodologie de post-traitement et une série d'expériences de calibration. Une étude comparative avec différents composites et métaux montre que notre approche réduit significativement l'erreur de mesure. Finalement, l'effet de la chimie de la flamme sur le comportement de dégradation des spécimens de fibre de carbone est étudié en les exposant à des flammes de kérosène et de gaz. Certains résultats ont confirmé la littérature déjà disponible, mais d'autres ont été mis en lumière par les recherches rapportées ici. Il est par exemple connu que les tests utilisant une flamme de gaz propane conduisent en général à une masse résiduelle ou une résistance à la traction résiduelle plus élevée après l'exposition au feu. Cependant, les torches à gaz sont un outil essentiel pour la communauté scientifique dans les expériences de combustion, et nous démontrons qu'une flamme de gaz peut être adaptée pour induire un dommage thermique similaire à celui d'une flamme de kérosène calibrée. La principale contribution de ce travail est donc son approche globale de la mise à l'échelle des essais au feu tout en fournissant une infrastructure scientifique pouvant être utilisée pour des études plus fondamentales de la combustion à l'avenir.

Abstract

This thesis deals with the material degradation behaviour of carbon-fibre reinforced epoxy composite materials exposed to a flame. These lightweight components are considered as firewall acoustic liners or fan cases in turbofan aircraft engines. They form the boundaries of so-called fire zones, being the interface between primary or secondary air flow and accessory sections. In the case of an unwanted fire, the components shall act as a firewall and prevent flame propagation, thus providing the crew with enough time to detect the problem and safely land the aircraft. As part of the extensive certification process, these components must undergo fire resistance testing to demonstrate that they can withstand a flame attack for a prescribed time while maintaining their mechanical properties. Certification standards provide clear guidelines for the testing set-up and procedure, but the results obtained using conventional facilities lack a critical information: they do not provide a measure of the material properties of the components tested and their evolution over time, but rather only a simple pass/fail verdict. This shortcoming of the current certification tests motivates the development of small-scale testing facilities, such as the one presented here, recreating the conditions prescribed in the certification standards but at a lower cost and in settings where the material degradation can be assessed in detail. The results gathered in these experiments are intended to support numerical model development and guide choices for new material systems suitable for high temperature aerospace applications. A detailed state-of-the art in fire resistance testing is first provided: applicable standards, test conditions and large-scale equipment. A fire test is defined by three main characteristics: the type of heat source and its nominal heat flux, the orientation and size of the specimen and the failure criteria assessed. In the case of firewall testing, a vertically mounted specimen is exposed to a calibrated flame from an oil burner and different failure criteria, as for instance continuous burning of the sample or fire penetration, are assessed. Although the large-scale test setup is commented in the thesis on several occasions, the main objective is on the study of the flame-sample interaction at reduced scale. The study of this interaction demands at first the development of scientific infrastructure capable of recreating certification-like conditions in a well-controlled environment and secondly the implementation of suitable diagnostic tools to assess parameters which are key to describe the material thermal degradation. The thesis contributes to both topics, by the development of infrastructure and methods as well as through a case study on the fire resistance of carbon fibre composites. The experimental methods presented includes the design and implementation of a novel smallscale facility that allows to test specimen at the coupon level. A novel point of view in bench-scale fire testing, this setup features a kerosene burner that can achieve the desired heat flux and flame temperature values demanded by the certification standards, but at significantly reduced burner power. In addition, gas torches used extensively in scientific bench-scale testing have implemented as a reference and to recreate state-of-the art experiments from literature. All burners have been calibrated to achieve the heat flux density and flame temperatures specified in the certification standards over a range of operating conditions, allowing the investigation of the effect of fuel type and flame equivalence ratio. The calibration methods to achieve the nominal values that define a standard flame are discussed in detail. The results obtained are compared across different test scales to ensure consistency. The thesis delves into the experimental methods (infrared thermography, thin-film gauges and calorimetry) and associated challenges to measure heat flux density and temperature of the flame or emissivity and temperatures of the sample. One of the main sources of error when measuring the surface temperature of rapidly degrading material using conventional infrared thermography is the change in emissivity. To overcome this difficulty, we propose a technique based on two-colour pyrometry which does not necessitate the a priori knowledge of the specimen emissivity. The thesis provides an introduction in the topic and discusses in detail the radiative transfer model and hardware selection necessary to reduce the overall error contributions. Instead of measuring the signal over a wide spectral range, the ratio of the signals acquired through two narrow band-pass filters is used under the main assumption that the scene remained unchanged. This requires however, that the acquisition frequency of the camera and optical filter selection is tailored to the experiment. We also propose a post-processing methodology and a set of calibration experiments using a hightemperature black body. A comparative study with different composites and metals shows that the post-processing significantly reduces the measurement error. Finally, the effect of flame chemistry on the degradation behaviour of carbon fibre specimens is investigated by exposing them to kerosene and gas flames. Some of the findings confirmed already available literature, but others come to light as a result of the research reported here. It is for instance known that tests using a propane gas flame lead in general to higher residual mass or residual tensile strength following fire exposure. However, gas torches are an essential tool for the scientific fire community, and we demonstrate that a gas flame can be tailored to induce a thermal damage similar to that of a calibrated kerosene flame. The major contribution from this work is thus its comprehensive approach towards scaling fire testing while providing scientific infrastructure that can used for more fundamental combustion studies in the future.