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WO2007039650A1 - Método de protección de depósitos de combustible fabricados con materiales compuestos contra descargas eléctricas - Google Patents

Método de protección de depósitos de combustible fabricados con materiales compuestos contra descargas eléctricas Download PDF

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WO2007039650A1
WO2007039650A1 PCT/ES2005/070133 ES2005070133W WO2007039650A1 WO 2007039650 A1 WO2007039650 A1 WO 2007039650A1 ES 2005070133 W ES2005070133 W ES 2005070133W WO 2007039650 A1 WO2007039650 A1 WO 2007039650A1
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devices
metal
metal devices
fuel
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French (fr)
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Oscar Berenguer Monge
Jose Ignacio LÓPEZ-REINA TORRIJOS
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Airbus Operations SL
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Airbus Espana SL
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    • B64D37/32—Safety measures not otherwise provided for, e.g. preventing explosive conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D90/00—Component parts, details or accessories for large containers
    • B65D90/22—Safety features
    • B65D90/46—Arrangements for carrying off, or preventing the formation of electrostatic charges
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L25/00—Construction or details of pipe joints not provided for in, or of interest apart from, groups F16L13/00 - F16L23/00
    • F16L25/02—Construction or details of pipe joints not provided for in, or of interest apart from, groups F16L13/00 - F16L23/00 specially adapted for electrically insulating the two pipe ends of the joint from each other
    • F16L25/026—Construction or details of pipe joints not provided for in, or of interest apart from, groups F16L13/00 - F16L23/00 specially adapted for electrically insulating the two pipe ends of the joint from each other for flanged joints

Definitions

  • the invention relates to a method of protection against electric shock caused by lightning strikes in fuel tanks made of low electrical conductivity materials and in particular to a method for the protection of devices such as pipes, valves or pumps present in its inside.
  • Composite materials offer high electrical resistance compared to metallic materials.
  • the latter have traditionally been used in the aeronautical context for the manufacture of structures intended for fuel storage, given their mechanical characteristics in relation to the weight of these materials.
  • the high electrical resistance inherent in composite materials causes an induction effect of great relevance in the internal systems of the fuel tank. Said effect induces internal electrical currents that can cause catastrophic failures or phenomena for the overall structural integrity.
  • the phenomena related to moderate or severe electrical discharges produced in the case of lightning impact and that must be prevented in a structure made of low electrical conductivity material to ensure its structural integrity / malfunction of some of the critical electrical equipment / electric arcs in The interior of the tank are: Hot Spots: the high current density in certain specific locations of the structure as joints or elements of intersection can cause high temperature points. If this temperature exceeds 200 0 C (point of auto ignition of the fuel considered by authorities F AA / J AA), the fuel can reach its flash point in case the appropriate stoichiometric concentrations are present inside the tank .
  • the objective of the present invention is oriented to the protection of the fuel tanks of aircraft located on their wings and / or stabilizers made of composite materials and provided with various electrical equipment against electric shocks but is applicable to any structure constructed in a material of low electrical conductivity and that possess flammable fluids in its interior as well as electrical and / or fluid-dynamic systems in its interior.
  • the present invention proposes a method to protect the set of metal devices arranged inside a fuel tank, manufactured entirely or partially with composite materials, against electric shock, by means of which: a) an insulating element is included in the points of fixing / securing the metal devices to the fuel tank, to ensure the electrical isolation of said metal devices from the fuel tank; b) insulating inserts are included in the linear metal devices so that they are subdivided into isolated parts between them; c) in each of the parts isolated from each other of the set of metal devices, a connection with metal substructures of very low resistance is provided.
  • Figure 1 schematically shows the application of the method according to the invention to a fuel tank provided with several devices.
  • Figure 2 shows a pipe located inside a protected fuel tank according to the method of the present invention.
  • Figure 3 shows a support located in the wall of a protected fuel tank according to the method of the present invention.
  • a fuel tank 11 made of a material with low electrical conductivity, a device 13 consisting of a fuel line and a device 15 consisting of an equipment with a metal housing is observed.
  • the set of devices 13, 15 represents the metal installations located inside the tank 11 that are necessary for the handling of the fuel.
  • insulating elements 21, which may be made of a plastic material, are included in the fixing / securing points of the devices 13 and 15 to the tank 11 to isolate said devices 13 and 15 from the tank eleven.
  • Figure 3 shows a specific example of insulating element 21 at a point of attachment of equipment to the tank 11.
  • insulating inserts 23 of non-conductive material for example plastic, are included in the pipe 13, delimiting parts 31, 33 and 35 insulated therebetween.
  • Figure 2 shows an example of an insulating insert 23 in the pipe 13 located between two connections with a substructure 25 of reference potential.
  • connections of the parts 31, 33, 35 of the pipe 13 and of the device 15 are provided, which can be considered as a part isolated from other devices, with a substructure 25 of reference potential ("0 volts").
  • the devices 13 and 15, which may be submerged in the fuel, can be charged to certain levels as a result of the generation of static charge after receiving an electric shock the tank 11, but said connections prevent the appearance of electric arcs and prevent the increase of said load up to admissible energy levels (200 micro-Joules), by draining the static load and preventing its accumulation in the system components.
  • the basis of the method object of the present invention resides in preventing the current Ce flowing through the external walls of the fuel tank 11 as a result of an electric shock produced, for example, by the impact of a lightning bolt, can drift towards the internal areas where devices 13 and 15 are located.
  • the only path for the external current Ce is the one that provides the connection points to the substructure 25 of reference potential (metallic ).
  • the insulating inserts 23 in the fuel pipes 13 or any other linear device avoid the possibility that the current Ci forms closed circuits in which circulation of high current densities occurs recurrently.
  • the insulating inserts 23 must maintain certain dimensions in length to prevent electric arcs.
  • the range of distances in aircraft fuel tanks designed and manufactured by Airbus applicable that have been tested and applied is between 25 - 80 mm.
  • the insulating inserts 23 In order to withstand the potential differences that may appear in the face of severe electric shock, the insulating inserts 23 must be made of insulating material, capable of providing an electrical resistance exceeding 100 mega-ohms.
  • these insulating inserts 23 much of the essence of the technique that is proposed in this application resides, since they prevent high electrical currents circulating through the metal parts belonging to the internal systems of the fuel tank of .
  • these insulating components must have a very novel design / material / geometry (a) since they must be located in very small places or in very short sections of pipes.

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Abstract

Un método de protección de un conjunto de dispositivos metálicos (13, 15) dispuestos en el interior de un depósito de combustible (11), fabricado total o parcialmente con materiales compuestos, tal como un depósito ubicado en una aeronave, contra descargas eléctricas, según el cual se llevan a cabo las siguientes pasos: a) en los puntos de fijación / sujeción de los dispositivos metálicos (13, 15) al depósito de combustible (11) se incluye un elemento aislante (21) para asegurar su aislamiento eléctrico respecto al depósito de combustible (11); b) en los dispositivos metálicos lineales (13), tales como tuberías, se incluyen insertos aislantes (23) de manera que queden subdivididos en partes (31, 33, 35) aisladas entre sí; c) en cada una de las partes aisladas (31, 33, 35, 15) se proporciona una conexión con una subestructura metálica (25) de muy baja resistencia.

Description

MÉTODO DE PROTECCIÓN DE DEPÓSITOS DE COMBUSTIBLE FABRICADOS CON MATERIALES COMPUESTOS CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un método de protección frente a descargas eléctricas provocadas por impacto de rayo en depósitos de combustible fabricados en materiales de baja conductividad eléctrica y en particular a un método para Ia protección de dispositivos tales como tuberías, válvulas ó bombas presentes en su interior.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los materiales compuestos ofrecen una alta resistencia eléctrica en comparación con los materiales metálicos. Estos últimos han sido tradicional- mente empleados en el contexto aeronáutico para Ia fabricación de estructuras destinadas al almacenamiento de combustible, dadas sus características mecánicas en relación al peso que presentan estos materiales. La alta resistencia eléctrica inherente en los materiales compuestos provoca un efecto de inducción de gran relevancia en los sistemas internos del tanque de combustible. Dicho efecto induce corrientes eléctricas internas que puede originar fallos o fenómenos catastróficos para Ia integridad estructural global. Los fenómenos relacionados con las descargas eléctricas moderadas o severas producidas en el caso de impacto de rayo y que deben prevenirse en una estructura fabricada en material de baja conductividad eléctrica para asegurar su integridad estructural / malfuncionamiento de alguno de los equipos críticos eléctricos / arcos eléctricos en el interior de tanque son: Puntos Calientes ("Hot Spots"): Ia alta densidad de corriente en ciertas local izaciones puntuales de Ia estructura como uniones o elementos de intersección puede originar puntos de elevada temperatura. Si esta temperatura excede los 200 0C (punto de auto ignición del combustible considerado por autoridades F AA/ J AA), el combustible puede alcanzar su punto de inflamación en caso de que esté presente las concentraciones estequiométricas adecua- das en el interior del depósito.
Arcos Eléctricos ("sparking"): el flujo de corriente a través de materiales con distintas resistividades y en ubicaciones geométricamente separadas puede producir diferencias de potencial entre ellos, liberando descargas en forma de arco eléctrico y provocando Ia ignición de combustible / liquido inflamable contenido en Ia estructura.
Malfuncionamiento de equipos eléctricos: las descargas eléctricas producidas por el impacto de rayo dan lugar a grandes niveles de corriente circulando por Ia estructura externa y en consecuencia pueden introducir corriente eléctrica por los sistemas internos bien por derivación o por induc- ción. Estos efectos son capaces de provocar malfuncionamiento en equipos críticos originando un fallo catastrófico.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
El objetivo de Ia presente invención está orientado a Ia protección de los depósitos de combustible de aeronaves situados en sus alas y/o estabilizadores fabricados con materiales compuestos y provistos de diversos equipos eléctricos frente a descargas eléctricas pero resulta aplicable a cualquier estructura construida en un material de baja conductividad eléctrica y que posea fluidos inflamables en su interior así como sistemas eléctricos y/o fluido- dinámicos en su interior.
La nueva generación de materiales, y en particular los materiales compuestos de baja continuidad eléctrica, ha propiciado Ia aparición de estructuras en depósitos de combustible con distinto comportamiento mecánico y eléctrico dadas las propiedades inherentes de los materiales empleados en su fabricación. Mientras que el depósito está realizado con materiales no metáli- eos de pobre conductividad eléctrica, los dispositivos situados en su interior están realizados en materiales altamente conductores, como sucede por ejemplo en un sistema de combustible formado por tuberías de aluminio y equipos de carcasa metálica. Anteriormente ya nos hemos referido a Ia problemática inherente a los potenciales fallos catastróficos derivados de una descarga eléctrica en un deposito de combustible de una aeronave producida en múltiples ocasiones por un impacto de rayo. Cuando las estructuras empleadas se encuentran fabricadas en materiales poco conductores existe un alto riesgo de que Ia corriente circule por los sistemas internos tradicionalmente fabricados en materiales metálicos. Esta situación puede provocar arcos eléctricos, partículas incandescentes internas, puntos calientes o malfuncionamiento de equipos considerados como críticos, originando una potencial fuente de ignición que podría dar lugar a Ia explosión y posterior colapso estructural. La presente invención propone un método para proteger el conjunto de dispositivos metálicos dispuestos en el interior de un depósito de combustible, fabricado total o parcialmente con materiales compuestos, contra descargas eléctricas, mediante el cual: a) se incluye un elemento aislante en los puntos de fijación / sujeción de los dispositivos metálicos al depósito de combustible, para asegurar el aislamiento eléctrico de dichos dispositivos metálicos respecto al depósito de combustible; b) se incluyen insertos aislantes en los dispositivos metálicos lineales de manera que queden subdivididos en partes aisladas entre ellas; c) en cada una de las partes aisladas entre sí del conjunto de dispositivos metálicos se proporciona una conexión con unas subestructuras metálicas de muy baja resistencia.
Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra esquemáticamente Ia aplicación del método según Ia invención a un depósito de combustible provisto de varios dispositivos. La Figura 2 muestra una tubería ubicada en el interior de un depósito de combustible protegida según el método de Ia presente invención.
La Figura 3 muestra un soporte ubicado en Ia pared de un depósito de combustible protegido según el método de Ia presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Siguiendo Ia Figura 1 se observa un depósito de combustible 11 fabricado con un material de baja conductividad eléctrica, un dispositivo 13 consistente en una tubería de combustible y un dispositivo 15 consistente en un equipo con una carcasa metálica. El conjunto de dispositivos 13, 15 representa las instalaciones metálicas situadas en el interior del depósito 11 que son necesarias para el manejo del combustible.
De acuerdo con el método objeto de Ia presente invención se incluyen elementos aislantes 21 , que pueden estar realizados con un material plástico, en los puntos de fijación / sujeción de los dispositivos 13 y 15 al depósito 11 para aislar dichos dispositivos 13 y 15 del depósito 11.
En Ia Figura 3 se muestra un ejemplo concreto de elemento aislante 21 en un punto de sujeción de un equipo al depósito 11.
Por su parte, en Ia tubería 13 se incluyen varios insertos aislantes 23 de material no conductor, por ejemplo plástico, delimitando en ella partes 31 , 33 y 35 aisladas entre sí.
En Ia Figura 2 se muestra un ejemplo de inserto aislante 23 en Ia tubería 13 situado entre dos conexiones con una subestructura 25 de potencial de referencia. Finalmente, se proporcionan conexiones de las partes 31 , 33, 35 de Ia tubería 13 y del dispositivo 15, que puede considerarse como una parte aislada del resto de dispositivos, con una subestructura 25 de potencial de referencia ("0 voltios"). Los dispositivos 13 y 15, que pueden estar sumergidos en el combustible, pueden cargarse hasta ciertos niveles como consecuencia de Ia generación de carga estática tras recibir una descarga eléctrica el depósito 11 , pero dichas conexiones previenen Ia aparición de arcos eléctricos y evitan el incremento de dicha carga hasta niveles de energía admisibles (200 micro-Julios), al drenar Ia carga estática e impedir su acumulación en los componentes del sistema.
El fundamento del método objeto de Ia presente invención reside en evi- tar que Ia corriente Ce que circula por las paredes externas del depósito de combustible 11 como consecuencia de una descarga eléctrica producida, por ejemplo, por el impacto de un rayo, pueda derivarse hacia las zonas internas en las que se encuentran los dispositivos 13 y 15.
Al estar toda Ia instalación interna, formada por los dispositivos 13 y 15, aislada de Ia estructura principal del depósito 11 , el único camino para Ia corriente exterior Ce es el que proporcionan los puntos de conexión a Ia subestructura 25 de potencial de referencia (metálica).
La inductancia y baja sección asociada a dichos puntos de conexión eléctrica y Ia presencia de los insertos aislantes 23 en Ia tubería 13 de com- bustible hace que Ia corriente externa Ce circule hacia el interior a través de derivaciones Cd en niveles muy bajos. De esta forma, Ia única corriente a Ia que se someten a los elementos metálicos del sistema interno al tanque es Ia correspondiente al efecto de inducción Ci.
Por otro lado, los insertos aislantes 23 en las tuberías 13 de combusti- ble ó cualquier otro dispositivo lineal evitan Ia posibilidad de que Ia corriente Ci forme circuitos cerrados en los que circulación de altas densidades de corriente se produzca de forma recurrente.
Los insertos aislantes 23 deben mantener ciertas dimensiones en longitud para prevenir arcos eléctricos. En particular, en los tanques de combustible de aeronaves diseñadas y fabricadas por Airbus el rango de distancias aplicables que han sido ensayadas y aplicadas se encuentra comprendido entre 25 - 80 mm.
Con el fin de soportar las posibles diferencias de potencial que pueden aparecer ante una descarga eléctrica severa, los insertos aislantes 23 deben estar fabricados en material aislante, capaz de proporcionar una resistencia eléctrica superior a 100 mega-ohmios.
La determinación de los puntos en los que deben ubicarse los insertos aislantes 23 requiere de un estudio pormenorizado de las resistencias existentes en el sistema así como el estudio de los niveles de corriente inducidos en cada región del sistema en el caso mas critico de descarga externa eléctrica. No obstante, se considera como regla general que entre cualquier sección metálica de Ia subestructura 25 (potencial de referencia) y cada parte 31 , 33, 35 de Ia tubería 13 o cualquier otro dispositivo lineal situado en el interior del depósito de combustible 11 dispuesta entre dos insertos aislantes 23 debe existir una resistencia eléctrica inferior a 10 mili-ohmios.
Cabe destacar que en estos insertos aislantes 23 reside gran parte de Ia esencia de Ia técnica que se propone en Ia presente solicitud, dado que evitan que haya altas corrientes eléctricas circulando a través de las partes metálicas pertenecientes a los sistemas internos del tanque de combustible de. En ciertas ocasiones, estos componentes aislantes deben presentar un diseño / material / geometría muy novedoso(a) dado que deben ubicarse en lugares muy reducidos o en tramos de tuberías muy cortas.
La eficiencia de Ia solución solicitada está avalada por diversos ensayos realizados por Ia empresa solicitante en relación con el sistema de combustible ubicado en el estabilizador horizontal de diversos modelos de aviones.
En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Un método de protección de un conjunto de dispositivos metálicos (13, 15) dispuestos en el interior de un depósito de combustible (11 ), fabricado total o parcialmente con materiales compuestos, contra descargas eléctricas, caracterizado porque:
a) en los puntos de fijación / sujeción de los dispositivos metálicos (13, 15) al depósito de combustible (11 ) se incluye un elemento aislante (21 ) para asegurar el aislamiento eléctrico de dichos dispositivos metálicos (13, 15) respecto al depósito de combustible (11 );
b) en los dispositivos metálicos lineales (13) se incluyen insertos aislantes (23) de manera que queden subdivididos en partes (31 , 33, 35) aisladas entre sí;
c) en cada una de las partes aisladas (31 , 33, 35, 15) entre sí del conjunto de dispositivos metálicos (13, 15), se proporciona una conexión con una subestructura metálica (25) de muy baja resistencia.
2.- Un método de protección de un conjunto de dispositivos metálicos (13, 15) dispuestos en el interior de un depósito de combustible (11 ), según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque los insertos aislantes (23) proporcionan una resistencia eléctrica superior a 100 mega-ohmios.
3.- Un método de protección de un conjunto de dispositivos metálicos (13, 15) dispuestos en el interior de un depósito de combustible (11 ), según Ia reivindicación 2, caracterizado porque Ia subdivisión en partes (31 , 33, 35) de los dispositivos lineales (13) se realiza de manera que entre cada una de ellas y Ia subestructura metálica (25) exista una resistencia eléctrica inferior a 10 mili-ohmios.
4.- Un método de protección de un conjunto de dispositivos metálicos
(13, 15) dispuestos en el interior de un depósito de combustible (11 ) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho depósito de combustible está situado en el ala y/o el estabilizador de una aeronave.
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