CA2941079A1

CA2941079A1 - Refroidisseur d'huile integre au pylone

Info

Publication number: CA2941079A1
Application number: CA2941079A
Authority: CA
Inventors: Kevin Morgane Lemarchand
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2017-03-04
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: FR3040692B1; FR3040692A1; US10273014B2; CA2941079C; US20170066540A1

Abstract

L'invention concerne un pylône de suspension comprenant :
- au moins un bras (3) pour la suspension d'un groupe propulsif (4) au fuselage (2) d'un avion (1.), - un circuit d'échange d'huile (70) configuré pour être relié d'une part à
une pompe à huile (5) dans le fuselage (2) et d'autre part au groupe propulsif (4) dont le bras (3) assure la suspension, ledit circuit (70) comprenant une ligne d'alimentation (72) et une ligne de retour (74), qui s'étendent l'une et l'autre à l'intérieur dudit bras (3), - un arbre intermédiaire (6) s'étendant dans ledit bras (3), ledit arbre étant configuré pour d'une part être entraîné par le groupe propulsif (4) dont le bras (3) assure la suspension et d'autre part entraîner la pompe à huile (5) dans le fuselage (2), le bras (3) présentant une structure adaptée pour le refroidissement du circuit d'échange d'huile au niveau du bras (3).

Description

Refroidisseur d'huile intégré au pylône DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET ETAT DE L'ART
Le domaine général de l'invention est celui de la suspension de groupes propulsifs à des fuselages d'avion.
L'invention propose quant à elle une architecture de pylône de suspension optimisée pour le refroidissement d'huile et/ou le dégivrage.
L'accrochage d'un groupe propulsif sur le fuselage d'un avion est généralement réalisé en arrière de fuselage sur un mât de suspension de l'avion, également appelé pylône. Le moteur comprend généralement une turbomachine. Une boîte d'engrenage d'accessoires (AGB ou accessory gear box selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée) est quant à elle habituellement positionnée dans la nacelle du moteur. Elle est entraînée par une prise de puissance sur la turbomachine et alimente différents équipements, ou accessoires, associés : pompes à huile pour la lubrification, générateurs d'électricité, etc.
Néanmoins, la boîte d'engrenage et les équipements sont volumineux et obligent les concepteurs à épaissir les nacelles, ce qui nuit aux performances de l'avion (tramée augmentée, etc.).
Certains développements actuels tendent à déplacer les boîtes d'engrenage vers les zones hautes pression des turbomachines, notamment au-dessus du compresseur (entre les flux primaire et secondaire), pour gagner en place sur l'épaisseur des nacelles et optimiser l'encombrement notamment et ainsi réduire la tramée de la nacelle. Les contraintes thermiques y sont intensifiées.
Or, l'huile ne peut supporter un échauffement au-delà d'une certaine limite (environ 160 C en général) sans se dégrader (phénomène de cokéfaction qui rend l'huile abrasive et lui fait donc perdre son pouvoir lubrifiant).

2 Les solutions de refroidissement forcé, avec prélèvement d'air dans l'un des flux, permettent de tenir la température mais provoque une baisse des performances de la turbomachine.
Par conséquent, il existe un besoin important lié aux problématiques d'échauffement de l'huile.
Par ailleurs, les pylônes de suspension posent des problèmes conséquents en termes de givrage, notamment au niveau de leurs bords d'attaque.
Il existe également un besoin important pour une solution simple et non onéreuse permettant de pallier cette problématique de givrage.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but général de l'invention est de résoudre au moins l'une de ces problématiques.
Notamment, un but de l'invention est de proposer une solution qui permette un refroidissement, sans pour autant nuire aux performances de l'avion.
En particulier, un but de l'invention est de proposer une solution qui permette un refroidissement en limitant les prélèvements de flux d'air destinés au moteur.
Un autre but encore de l'invention est de proposer une solution qui permette un refroidissement et limite l'épaisseur de la nacelle.
Également encore, un but de l'invention est de proposer une solution simple et non onéreuse de dégivrage des pylônes de suspension de groupes propulsifs suspendus à des fuselages d'avion.
Pour cela, l'invention propose un pylône de suspension comprenant :
- au moins un bras pour la suspension d'un groupe propulsif au fuselage d'un avion, - un circuit d'échange d'huile configuré pour être relié d'une part à une pompe à huile dans le fuselage et d'autre part au groupe propulsif dont le bras assure la suspension, ledit circuit comprenant une ligne

3 d'alimentation et une ligne de retour, qui s'étendent l'une et l'autre à
l'intérieur dudit bras, - un arbre intermédiaire qui s'étend dans ledit bras, ledit arbre étant configuré pour d'une part être entraîné par le groupe propulsif dont le bras assure la suspension et d'autre part entraîner la pompe à huile dans le fuselage, dans lequel le bras présente une structure adaptée pour le refroidissement du circuit d'échange d'huile au niveau du bras.
Une telle architecture de pylône permet un refroidissement de l'huile en même temps qu'une diminution du volume occupé par des équipements au niveau du groupe propulsif. En effet, grâce à l'arbre intermédiaire, la pompe est déplacée à l'intérieur du fuselage, ce qui diminue le volume occupé par des accessoires au niveau du groupe propulsif. Cette architecture de pylône favorise en outre le dégivrage du pylône.
Une telle architecture de pylône est en outre avantageusement complétée par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles :
- le bras comprend une pluralité de compartiments réfrigérants au travers desquels circule la ligne de retour d'huile;
- les compartiments sont remplis d'huile ;
- les compartiments sont alimentés en huile depuis la ligne d'alimentation ;
- les compartiments comprennent des valves pour autoriser ou empêcher la communication fluidique entre les différents compartiments ;
- le pylône comprend en outre un palier intermédiaire situé dans le bras et supportant l'arbre intermédiaire, dans lequel le palier intermédiaire est lubrifié à partir du circuit d'échange d'huile.
L'invention concerne en outre un ensemble comportant un tel pylône et une boîte d'engrenage des accessoires, ladite boîte étant située dans

4 le fuselage, ladite boîte étant entraînée par l'arbre intermédiaire et la pompe à huile étant entraînée par la boîte d'engrenage.
Elle propose également un ensemble comprenant un tel pylône ou un ensemble du type ci-dessus et comprenant également un groupe propulsif.
Elle concerne en outre un avion comprenant un tel ensemble, dans lequel le groupe propulsif est en accrochage sur le fuselage en position latérale arrière et le groupe propulsif comprend une turbomachine.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- La figure 1 représente un avion avec accrochage des moteurs sur le fuselage, - La figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention, avec notamment le fuselage de l'avion, le pylône et le groupe propulsif qui y sont représentés.
DESCRIPTION DETAILLEE
L'avion 1 représenté sur la figure 1 comprend un fuselage 2 et plusieurs groupes propulsifs 4 suspendus sur la partie arrière du fuselage 2 au moyen de pylônes 3.
Un groupe propulsif 4 comprend typiquement une turbomachine disposée dans une nacelle.
Ainsi qu'illustré schématiquement sur la figure 2, un pylône 3 est un bras de suspension 3a rigide creux et profilé qui est accroché d'un côté, par une extrémité 30a, au fuselage 2 de l'avion 1 et de l'autre, par une extrémité 30b, au groupe propulsif 4 dont il assure la suspension. La direction principale selon laquelle le bras creux 3a s'étend a été
schématisée par l'axe X.

Une pompe à huile 5 est disposée dans le fuselage 2 et est entraînée par une boîte d'engrenage ou AGB. Elle est reliée au groupe propulsif, préférablement une turbomachine 4 par un circuit d'échange d'huile 70 comprenant une ligne d'alimentation 72, dans laquelle l'huile circule de

5 la pompe 5 au groupe propulsif 4 et une ligne de retour 74, dans laquelle l'huile circule du groupe propulsif 4 à la pompe 5.
Le circuit d'échange d'huile 70 traverse donc le pylône 3 et s'étend donc entre les deux extrémités 30a, 30b du pylône selon la direction longitudinale X.
Un arbre intermédiaire 6 est disposé dans le pylône 3 pour entraîner la pompe à huile 2 à partir de la turbomachine 4. L'arbre 3 s'étend préférablement sensiblement selon la direction longitudinale X.
Un renvoi mécanique 62 permet de prélever de la puissance sur la turbomachine 4, et un autre renvoi mécanique 64 permet de transmettre cette puissance à la pompe à huile 2.
Lorsque les moteurs sont en fonctionnement, l'arbre intermédiaire 6 est donc en rotation dans le pylône 3.
La pompe à huile 5 alimente donc le groupe propulsif 4 en huile via la ligne d'alimentation 72, notamment pour la lubrification. Cette huile s'échauffe dans le groupe propulsif 4 et doit être refroidie. La ligne de retour 74, située à l'intérieur du pylône 3 qui est lui au contact de l'air extérieur, permet le refroidissement de l'huile par convection forcée, du fait de la vitesse élevée de l'air A en vol. Les deux milieux d'échange sont ainsi forcés (huile pompée et écoulement de l'air du fait du déplacement de l'avion).
Le transfert de chaleur est d'autant plus efficace que l'air A au niveau du bord d'attaque 32 du pylône 3 est plus frais que l'air du flux secondaire comme dans la technique habituelle car il n'a pas subi la compression de la soufflante de la turbomachine 4.

6 Le pylône 3, outre son rôle structurel de maintien de la turbomachine et son rôle aérodynamique (optimisation de l'écoulement) fait ainsi office d'échangeur thermique.
De cette façon, on obtient un système de refroidissement qui ne porte pas préjudice aux performances de l'avion 1, puisque l'épaisseur des nacelles est moins contrainte par l'intégration de nombreux équipements et aucun refroidissement forcé par prélèvement des flux dans les moteurs n'est nécessaire.
En effet, certains équipements comme la pompe 5 ont être déplacés à
l'intérieur du fuselage 2, ce qui permet de ne laisser que les équipements de moindre volume au niveau de la nacelle de la turbomachine.
Pour favoriser le refroidissement, la ligne de retour 74 est positionnée à
proximité du bord d'attaque du pylône 3, là où l'effet surfacique d'échange thermique est le plus important. Sur la figure 2, le bord d'attaque a été référencé par 32, les flèches illustrant le sens du flux d'air lorsque l'avion se déplace.
Une conséquence liée au refroidissement de l'huile de retour est l'échauffement du bord d'attaque 32, ce qui permet de contribuer au dégivrage du pylône. Il peut désormais être possible de se passer d'un système électrique de dégivrage dédié, qui est coûteux et consomme beaucoup d'énergie.
Dans un mode de réalisation, le cas échéant en complément de la configuration d'échangeur thermique du pylône 3, celui-ci comprend une pluralité de compartiments étanches 34a, 34b, 34c réfrigérants au travers desquels circule la ligne de retour 74.
Typiquement, avoir peu de compartiment permet de limiter la masse mais augmente le risque en cas de défaillance d'un de ces compartiments. Préférablement, le nombre de compartiments étanches est compris entre 2 et 20.

7 Ces compartiments 34 sont remplis d'un fluide caloporteur qui permet les échanges thermiques entre l'air extérieur du pylône 3 et l'huile de la ligne de retour 74.
Les compartiments 34 permettent une indépendance des échanges thermiques, dans le cas notamment où un impact viendrait endommager localement le pylône 3 et ouvrir un compartiment 34a. La redondance des compartiments 34 permet alors de garantir un fonctionnement performant de refroidissement.
Les compartiments 34 sont préférablement tous situés au niveau du bord d'attaque 32 et sont côte à côte selon la direction longitudinale X.
La ligne de retour 74 serpente à l'intérieur desdits compartiments 34, ce qui permet d'augmenter la longueur de la ligne de retour 74 en contact avec le fluide caloporteur.
II est possible de prévoir que certaines portions de la ligne de retour 74 soient hors des compartiments 34, pour par exemple y positionner des capteurs de température.
Le fluide caloporteur des compartiments 34 peut notamment être de l'huile, du même type que celle circulant dans le circuit d'échange d'huile 7, ce qui constitue un avantage en termes de maintenance.
Un conduit d'échange 76 reliant la ligne d'alimentation 72 et au moins un compartiment 34 permet d'apporter de l'huile audit compartiment 34. Il est possible de prévoir autant de conduits d'échange 76 qu'il y a de compartiments 34a, 34b, 34c. Ce conduit 76 permet un abaissement rapide de la température des compartiments 34. En effet, lorsque l'avion 1 est au sol, la fonction de refroidissement n'est pas pleinement efficace (vitesse de l'air quasiment nulle, température de l'air modérée, mais groupe propulsif en fonctionnement). En outre, en cas de fuite, le conduit d'échange 76 permet de maintenir un certain niveau d'huile dans les compartiments 34.

8 Les compartiments 34 peuvent être formés par des longerons 36 du pylône 3. En particulier, les longerons dits horizontaux, s'étendant selon la direction longitudinale X et les longerons dits verticaux, s'étendant perpendiculairement à cette direction, définissent les volumes des compartiments 34.
En variante, les compartiments 34 comprennent des valves 38 qui permettent ou empêchent la communication fluidique entre deux compartiments 34a, 34b. A l'aide de capteurs et d'actionneurs, ces valves 38 ont pour but de permettre les échanges de fluides caloporteurs entre les différents compartiments 34a, 34b, 34c... pour uniformiser la température sur l'ensemble des compartiments 34.
Comme mentionné précédemment, il est important de pouvoir garantir aussi l'étanchéité des compartiments en cas d'endommagement du pylône 3, qui se fait souvent au niveau du bord d'attaque 32, par des corps extérieurs qui viennent percuter le pylône. Si besoin, l'alimentation en huile du conduit d'échange 76 en relation avec le compartiment qui n'est plus étanche est coupée.
L'arbre intermédiaire 6 transmet de la puissance du groupe propulsif 4 vers la pompe 5 par rotation. Des paliers 8 sont alors prévus pour supporter l'arbre 6 et permettre sa rotation.
Par ailleurs, un palier 8 peut être prévu à chaque extrémité de l'arbre 6, c'est-à-dire au niveau du fuselage 2 et au niveau du groupe propulsif 4.
A cause de la flexion de l'arbre intermédiaire 6, des effets dynamiques peuvent intervenir sur l'arbre 6, avec des risques d'endommagement.
Pour y remédier, au moins un palier intermédiaire peut être prévu dans le pylône 3. Plusieurs paliers intermédiaires 81a, 81b peuvent être disposés dans le pylône 3, pour supporter le poids de l'arbre 6 à
intervalle régulier.
Les paliers intermédiaires 81a, 82b, sont typiquement logés dans des enceintes 84a, 84b.

9 Les paliers intermédiaires 81a, 81b peuvent par exemple être en appui sur des longerons.
Comme tout palier, il est nécessaire de lubrifier les paliers intermédiaires 81a, 81b. Dans un mode de réalisation avantageux, une conduite d'apport d'huile 82 prélève de l'huile depuis la ligne d'alimentation 78 et l'apporte jusqu'à l'enceinte 84a, 84b où est logé le palier intermédiaire 81a.
Une conduite d'échappement d'huile 83 renvoie l'huile de l'enceinte 84a du palier intermédiaire 81a vers la ligne de retour 74. On profite ainsi du circuit d'échange d'huile 70 déjà présent dans le pylône 3.
De plus, le palier intermédiaire 81 est alors lubrifié avec de l'huile dite froide , c'est-à-dire non échauffée et/ou qui a été refroidie précédemment.
Le pylône comprend alors par exemple autant de conduites d'apport d'huile 82 et d'échappement d'huile 83 qu'il y a de paliers intermédiaires 81a, 81b. Selon la disposition des paliers intermédiaires le long de la direction longitudinale X du pylône, une mutualisation des conduites peut être effectuée.
Alternativement, si plusieurs paliers 82a, 82b,... sont logés dans une même enceinte 84a ou 84b, une seule conduite d'apport d'huile 82 et d'échappement d'huile 84 par enceinte 84 suffit.
Dans le cas des paliers 8 situés dans le fuselage 2 et le groupe propulsif 4, il est possible de prévoir des conduites similaires, à la différence près que lesdites conduites ne seront pas situées dans le pylône.
Un filtre 78 peut être disposé entre la ligne d'alimentation 72 et le groupe propulsif 4, afin de s'assurer qu'aucune particule solide ne parvienne dans ledit groupe propulsif 4, où l'huile sert à lubrifier des éléments tournants à vitesse élevée dans un environnement chaud.

Lors de son utilisation dans le groupe propulsif 4, l'huile peut se charger d'air, notamment lorsqu'elle y est pulvérisée. Un déshuileur 79 peut être disposé sur le circuit d'échange d'huile 7, et préférablement en fin de ligne de retour 74, c'est-à-dire dans le fuselage, à proximité de la 5 pompe 5.
Un réservoir d'huile 90 peut aussi être prévu entre la pompe à huile 5 et la ligne de retour 74. Il permet de faire tampon et d'avoir une réserve d'huile froide à disposition, notamment pour les phases où l'avion est au

10 sol.
Dans un mode de réalisation, tous les équipements relatifs à l'huile sont disposés dans le fuselage 2 et sont entraînés par l'arbre intermédiaire 6, via des engrenages (non représentés sur les figures).
La boîte d'engrenage des accessoires qui entraîne la pompe à huile 5 est elle-même entraînée par l'arbre intermédiaire 6. Elle peut être disposée dans le fuselage 2, avec la pompe 5 au voisinage immédiat de celle-ci.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, il s'agit de l'intégralité de l'AGB et des équipements qui sont déportés vers le fuselage, ce qui permet de désencombrer massivement le groupe propulsif 4. Les conséquences peuvent être une nacelle mince et des prélèvements d'air limités sur la turbomachine 4 afin que le maximum des flux d'air la traversant serve à
la propulsion.

Claims

Revendications

1. Pylône de suspension comprenant :
- au moins un bras (3) pour la suspension d'un groupe propulsif (4) au fuselage (2) d'un avion (1), - un circuit d'échange d'huile (70) configuré pour être relié d'une part à
une pompe à huile (5) dans le fuselage (2) et d'autre part au groupe propulsif (4) dont le bras (3) assure la suspension, ledit circuit (70) comprenant une ligne d'alimentation (72) et une ligne de retour (74), qui s'étendent l'une et l'autre à l'intérieur dudit bras (3), - un arbre intermédiaire (6) qui s'étend dans ledit bras (3), ledit arbre étant configuré pour d'une part être entraîné par le groupe propulsif (4) dont le bras (3) assure la suspension et d'autre part entraîner la pompe à huile (5) dans le fuselage (2), dans lequel le bras (3) présente une structure adaptée pour le refroidissement du circuit d'échange d'huile au niveau du bras (3).

2. Pylône selon la revendication précédente, dans lequel le bras (3) comprend un bord d'attaque (32), et dans lequel la ligne de retour (74) est située au niveau du bord d'attaque (32) pour favoriser le refroidissement de l'huile et pour favoriser le dégivrage dudit bord d'attaque (32).

3. Pylône selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bras (3) comprend une pluralité de compartiments réfrigérants (34a, 34b, etc.) au travers desquels circule la ligne de retour (74).

4. Pylône selon la revendication précédente, dans lequel les compartiments (34) sont remplis d'huile.

5. Pylône selon la revendication précédente, dans lequel les compartiments (34) sont alimentés en huile depuis la ligne d'alimentation (72).

6. Pylône selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les compartiments (34) comprennent des valves (38) pour autoriser ou empêcher la communication fluidique entre les différents compartiments (34).

7. Pylône selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un palier intermédiaire (81a, 81b) situé dans le bras et supportant l'arbre intermédiaire (6), dans lequel le palier intermédiaire (81a, 81b) est lubrifié à partir du circuit d'échange d'huile.

8. Ensemble comprenant un pylône selon l'une quelconque des revendications précédentes et une boîte d'engrenage des accessoires, ladite boîte étant située dans le fuselage (2), ladite boîte étant entraînée par l'arbre intermédiaire (6) et la pompe à huile (5) étant entraîné par la boîte d'engrenage.

9. Ensemble selon la revendication 8 comprenant également un groupe propulsif (4).

10. Avion (1) comprenant un ensemble selon la revendication précédente, dans lequel le groupe propulsif (4) est en accrochage sur le fuselage arrière et le groupe propulsif (4) comprend une turbomachine.