FR2978210A1 - Procede d'alimentation d'un film fluide d'amortissement d'un palier de guidage d'un arbre de turbomachine - Google Patents
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Abstract
Un procédé d'alimentation d'un film fluide d'amortissement d'un palier de guidage d'un arbre de turbomachine, ladite turbomachine étant connue pour vibrer selon au moins un mode vibratoire donné, ladite turbomachine étant adaptée pour entrer en résonance à un régime de résonance donné (w ) pour ledit mode vibratoire donné, une plage de surveillance (P) étant définie autour du régime de résonance (w ), procédé dans lequel on alimente en fluide le film fluide d'amortissement du palier de guidage uniquement lorsque le régime de rotation (w) de la turbomachine appartient à la plage de surveillance (P).
Description
PROCEDE D'ALIMENTATION D'UN FILM FLUIDE D'AMORTISSEMENT D'UN PALIER DE GUIDAGE D'UN ARBRE DE TURBOMACHINE La présente invention concerne le domaine des paliers de guidage d'un arbre d'une turbomachine et, plus précisément, un procédé d'alimentation d'un film fluide d'amortissement d'un palier de guidage.
Les paliers de guidage utilisés dans une turbomachine comprennent une bague intérieure et une bague extérieure enserrant des organes roulants, par exemple des rouleaux. De manière classique, la bague extérieure est montée de manière solidaire sur une partie fixe de la turbomachine et la bague intérieure est montée de manière solidaire sur un arbre de la turbomachine, par exemple, par frettage. Le palier permet ainsi de guider l'arbre en rotation par rapport à la partie fixe de la turbomachine.
Dans certaines configurations, le palier est monté entre deux arbres rotatifs de la turbomachine. Ce type de palier est couramment désigné palier « interarbre », un tel palier étant par exemple connu de la demande de brevet FR 2 939 843 Al de la société SNECMA.
A titre d'exemple, en référence à la figure 1, un turboréacteur pour aéronef comporte de manière classique plusieurs arbres de turbine rotatifs dont un arbre haute pression HP monté rotatif par rapport à un arbre basse pression BP via un palier de guidage interarbre 1. Le palier de guidage 1 comporte une bague extérieure 11 solidaire d'une partie de l'arbre basse pression BP et une bague intérieure 12 solidaire d'une partie de l'arbre haute pression HP et des moyens de roulement 13 enserrés par les bagues 11, 12. Dans cet exemple, la bague intérieure 11 est frettée sur l'arbre haute pression HP de manière à empêcher toute translation et toute rotation de la bague intérieure 12 du palier 1 par rapport à l'arbre haute pression HP. Pour amortir les mouvements des arbres BP, HP, le palier de guidage 1 comporte un film fluide d'amortissement 14 emprisonné entre la bague extérieure du palier 1 et les moyens de roulement du palier 13 grâce à des joints d'étanchéité non représentés.
Un film fluide d'amortissement 14 d'un palier de guidage 1, connu de l'homme du métier sous la désignation « squeeze-film », permet d'améliorer la réponse dynamique de la turbomachine à un régime de fonctionnement donné. De manière préférée, le film fluide d'amortissement est constitué d'huile sous pression. II permet par exemple de limiter les vibrations de la turbomachine au cours de son fonctionnement. De manière classique, la turbomachine comporte une pompe d'alimentation principale 2 qui est adaptée pour alimenter le film fluide d'amortissement 14 à une pression d'alimentation Pp qui est fonction du régime de la turbomachine. Ainsi, la pression d'alimentation du film fluide d'amortissement 14 est plus importante à haut régime (phase de décollage de l'aéronef) qu'à bas régime. En pratique, la pression d'alimentation du film d'amortissement n'est pas suffisante à bas régime et l'amortissement n'est pas optimal.
Pour obtenir l'amortissement souhaité et éviter la cavitation du film d'huile dans le palier de guidage, il est connu d'augmenter la pression d'alimentation en huile du film fluide d'amortissement 14 au moyen d'une pompe d'alimentation additionnelle 3 connue de l'homme du métier sous la désignation « Boost-pump ». A bas régime, la pompe d'alimentation additionnelle permet avantageusement de fournir une pression additionnelle Pa pour compenser un défaut de pression d'alimentation Pp de la pompe d'alimentation principale 2 de manière à ce que le film fluide d'amortissement 14 soit alimenté à la pression d'alimentation augmentée.
En pratique, la pompe d'alimentation additionnelle 3 est activée à bas régime pour augmenter la pression d'alimentation jusqu'à une pression cible permettant d'apporter de l'amortissement à la turbomachine. Lorsque le régime de rotation de la turbomachine est suffisant pour permettre à la pompe d'alimentation principale 2 de fournir la pression d'alimentation adéquate, la pompe d'alimentation additionnelle 3 est désactivée.
II a été observé que malgré une alimentation du film d'amortissement à sa pression d'alimentation optimale sur toute sa plage de régime, les amplitudes des vibrations de la turbomachine ne sont pas réduites de manière optimale.
Pour éliminer au moins certains de ces inconvénients, l'invention concerne un procédé d'alimentation d'un film fluide d'amortissement d'un palier de guidage d'un arbre de turbomachine, ladite turbomachine étant connue pour vibrer selon au moins un mode vibratoire donné, ladite turbomachine étant adaptée pour entrer en résonance à un régime de résonance donné pour ledit mode vibratoire donné, une plage de surveillance étant définie autour du régime de résonance, procédé dans lequel on alimente en fluide le film fluide d'amortissement du palier de guidage uniquement lorsque le régime de rotation de la turbomachine appartient à la plage de surveillance.
De manière avantageuse, le film fluide d'amortissement n'est activé que lorsque le régime de la turbomachine approche le régime de résonance pour un mode vibratoire donné. Ainsi, les vibrations de la turbomachine sont limitées de manière optimale, le film fluide n'étant pas activé lorsque le régime de rotation est stabilisé ce qui limite la transmission des vibrations de la turbomachine à l'aile et à l'avion.
De préférence, on obtient l'amplitude des vibrations de la turbomachine, en fonction du régime de rotation de la turbomachine, pour une turbomachine dont le film fluide d'amortissement est alimenté, on obtient l'amplitude des vibrations de la turbomachine, en fonction du régime de rotation de la turbomachine, pour une turbomachine dont le film fluide d'amortissement n'est pas alimenté, on compare les amplitudes obtenues et on en déduit la plage de régime dans laquelle l'amplitude des vibrations de la turbomachine est réduite lorsque le film fluide d'amortissement est alimenté, ladite plage formant la plage de surveillance.40 En analysant l'effet du film fluide d'amortissement sur l'amplitude des vibrations au cours de la rotation de la turbomachine, on définit la plage de surveillance de manière précise et optimale pour gommer les vibrations de manière personnalisée à chaque type de turbomachine.
Selon un aspect de l'invention, les amplitudes de vibrations de la turbomachine sont simulées par calcul à partir d'un modèle dynamique théorique de ladite turbomachine. De manière avantageuse, on simule les amplitudes de vibrations par calcul afin de définir de manière rapide la plage de surveillance d'une turbomachine pour chacun de ses modes vibratoires.
Selon un autre aspect de l'invention, les amplitudes de vibrations de la turbomachine sont mesurées sur une turbomachine physique. De manière avantageuse, les amplitudes de vibrations sont mesurées de manière très précise par des essais. De manière avantageuse, on réalise de tels essais pour chaque famille de turbomachine.
De préférence, le film fluide d'amortissement du palier de guidage n'étant pas alimenté en fluide, on mesure l'amplitude des vibrations de la turbomachine au cours du fonctionnement de la turbomachine, on compare l'amplitude mesurée à un premier seuil prédéterminé, et on alimente en fluide le film fluide d'amortissement du palier de guidage en cas de dépassement du premier seuil.
De manière avantageuse, la plage de surveillance est définie en fonction de l'amplitude des vibrations de la turbomachine ce qui permet avantageusement d'activer le film fluide d'amortissement autour du régime de résonance, lorsque l'amplitude des vibrations devient importante. Un tel procédé est très intéressant car il permet de définir des plages de résonance différentes en fonction des turbomachines.
De manière préférée, le film fluide d'amortissement du palier de guidage étant alimenté en fluide, on mesure l'amplitude des vibrations de la turbomachine au cours du fonctionnement de la turbomachine, on compare l'amplitude mesurée à un deuxième seuil prédéterminé, et on stoppe l'alimentation en fluide du film fluide d'amortissement du palier de guidage si l'amplitude mesurée est inférieure au deuxième seuil. Le film fluide amortissement est stoppé lorsque les vibrations possèdent une amplitude plus faible de manière à améliorer le comportement dynamique de la turbomachine et limiter la transmission des vibrations de la turbomachine au reste de la structure aéronautique. Un tel procédé est très intéressant car il permet de définir des plages de résonance différentes en fonction des turbomachines.
Selon un aspect préféré de l'invention, les premier et deuxième seuils sont égaux pour un mode vibratoire déterminé. Ainsi, le procédé d'alimentation est simple à mettre en oeuvre, le film fluide étant alimenté uniquement lorsque le niveau d'amplitude dépasse ledit seuil. De manière préférée, les premier et deuxième seuils sont égaux pour tous les modes vibratoires de la turbomachine.40 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un palier de guidage d'un arbre de turbomachine selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente l'amplitude des vibrations (AMP) d'un arbre guidé par un palier de guidage en fonction du régime (W) de la turbomachine lorsque le film fluide d'amortissement est alimenté (F1) ou non-alimenté (FO) ; - la figure 3 représente l'amplitude des vibrations (AMP) d'un arbre guidé par un palier de guidage en fonction du régime (W) de la turbomachine lorsque le film fluide est alimenté (F2) selon le procédé d'alimentation selon l'invention ; - la figure 4 représente la courbe d'alimentation du film fluide d'amortissement du palier de guidage selon le procédé d'alimentation selon l'invention, - la figure 5 est un diagramme représentant une mise en oeuvre particulière du procédé selon l'invention par mesures de vibrations de la turbomachine, et - la figure 6 représente l'amplitude des vibrations (AMP) d'un arbre guidé par un palier de guidage en fonction du régime (W) de la turbomachine et la courbe d'alimentation du film fluide d'amortissement du palier de guidage selon le procédé d'alimentation schématisé à la figure 5.
II faut noter que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour mettre en oeuvre l'invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l'invention le cas échéant.
Une turbomachine comporte de manière classique un arbre rotatif qui est guidé dans un carter de la turbomachine par un ou plusieurs paliers de guidage. De manière connue, lorsque la turbomachine est en fonctionnement, cette dernière vibre selon une pluralité de modes vibratoires. L'amplitude des vibrations de chacun des modes vibratoires de la turbomachine varie en fonction du régime de la turbomachine (W). En pratique, une turbomachine n'est jamais parfaitement équilibrée et il subsiste un balourd qui a pour conséquence de générer des vibrations de la turbomachine pour un mode vibratoire donné lorsque le régime de rotation de la turbomachine approche un régime de rotation déterminé pour ledit mode vibratoire donné. Ce phénomène est connu de l'homme du métier sous la désignation résonance. En pratique, le régime de rotation de la turbomachine pour lequel la résonance est maximale est désigné régime de résonance wr.
Afin de limiter l'amplitude des vibrations au cours du fonctionnement de la turbomachine, la Demanderesse a analysé l'amplitude (AMP) des vibrations d'une turbomachine d'un mode vibratoire donné en fonction du régime de la turbomachine (W) lorsque le film fluide d'amortissement du palier de guidage de la turbomachine est alimenté (Figure 2 : courbe F1) et lorsque qu'il ne l'est pas (Figure 2 : courbe FO).40 Après analyse, il apparaît que le film fluide d'amortissement alimenté n'améliore le comportement vibratoire de la turbomachine que sur une plage de surveillance P définie autour du régime de résonance wr pour le mode vibratoire concerné comme représenté sur la figure 3. En effet, lorsque le film fluide d'amortissement est alimenté pour un régime de rotation w supérieur au régime de résonance wr, l'amortissement n'est pas optimal.
Selon l'invention, le film fluide d'amortissement est alimenté uniquement sur la plage de surveillance P définie autour du régime de résonance wr selon le profil de commande E représenté sur la figure 4. Cela permet de limiter de manière avantageuse l'amplitude des vibrations sur la plage de régime de fonctionnement de la turbomachine (Figure 3 : courbe F2), Dans cet exemple, la turbomachine comporte une pompe d'alimentation commandable permettant d'alimenter le film fluide d'amortissement uniquement pendant un régime de rotation déterminé, ici pendant la plage de surveillance P.
La plage de surveillance P peut être déterminée et calibrée de différentes manières en fonction du but recherché.
Méthode expérimentale Selon une première mise en oeuvre de l'invention, la plage de régime de surveillance P est définie entre une borne inférieure w1 et une borne supérieure wZ qui sont déterminées de manière expérimentale par essais sur une turbomachine physique du même type que la turbomachine sur laquelle on souhaite mettre en oeuvre le procédé d'alimentation selon l'invention. Autrement dit, on réalise des essais sur une turbomachine de la même famille afin d'obtenir les courbes d'amplitudes de vibration Fo, F1 en fonction du régime de fonctionnement w comme représenté à la figure 3. On obtient les valeurs des bornes w1, w2 de la plage de surveillance P en lisant les abscisses aux intersections des courbes de vibrations Fo, F1 de la figure 3. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, les courbes de vibrations Fo, F1 ne sont obtenues que de manière partielle par essais de manière à définir les intersections des courbes Fo, F1. A titre d'exemple, on estime par calculs les bornes wlest, wzest de la plage de surveillance P à partir d'un modèle théorique de la turbomachine et on réalise des essais pour des régimes de rotation autour des bornes estimées wlest, wzest pour en déduire les valeurs précises des bornes w1, w2 pour la turbomachine physique.
On commande ensuite la pompe d'alimentation selon le profil de commande E de la figure 4 pour alimenter le film fluide d'amortissement uniquement entre les bornes w1, w2 de la plage de surveillance P qui ont été obtenues par essais. De manière alternative, afin d'éviter de recourir à des essais, la pompe d'alimentation peut être activée uniquement entre les bornes estimées par calcul wlest, wzest. On améliore ainsi le comportement de la turbomachine en fonction de son régime de fonctionnement pour un mode vibratoire donné.40 De manière alternative, on définit la plage de surveillance en déterminant une marge de régime centrée autour du régime de résonance wr de la turbomachine pour le mode vibratoire concerné. A titre d'exemple, la marge de régime est définie comme une valeur fixe ou comme un pourcentage du régime de résonance wr. De manière préférée, la marge de régime d'une plage de surveillance P est définie en fonction du mode vibratoire concerné de manière à optimiser l'amortissement.
II a été présenté précédemment un procédé d'alimentation d'un film fluide d'amortissement pour un mode vibratoire donné M de la turbomachine. II va de soi que le même procédé peut être mis en oeuvre pour une pluralité de modes vibratoires M; d'une même turbomachine afin de déterminer une pluralité de plages de résonance P; pendant lesquelles le film fluide d'amortissement est alimenté. De manière préférée, le film fluide d'amortissement n'est alimenté que pour les modes vibratoires dont les amplitudes de vibrations sont les plus importantes.
Méthode par mesure de vibrations Selon une deuxième mise en oeuvre de l'invention, la turbomachine comporte, en outre de sa pompe d'alimentation commandable, au moins un capteur de vibration adapté pour mesurer l'amplitude des vibrations de la turbomachine. Pour un mode vibratoire donné, on définit un premier seuil de vibration S1 et un deuxième seuil de vibration S2 et on mesure de manière continue, ou par intervalles de temps, l'amplitude des vibrations S mesurées par le capteur de vibration.
En référence au diagramme de la figure 5 et aux courbes de la figure 6, la pompe d'alimentation étant inactivée (OFF), on active la pompe d'alimentation (ON) uniquement lorsque l'amplitude des vibrations mesurée S excède le premier seuil de vibration S1. Ainsi, le film fluide d'amortissement est alimenté lorsque les vibrations excèdent un seuil déterminé pour protéger la turbomachine à l'encontre du phénomène de résonance, ce qui est très avantageux.
Toujours en référence aux figures 5 et 6, la pompe d'alimentation étant activée (ON), on désactive la pompe d'alimentation (OFF) uniquement lorsque l'amplitude des vibrations mesurées S est inférieure au deuxième seuil de vibration S2. Ainsi, le film fluide d'amortissement n'est pas alimenté en dehors de la zone de résonance ce qui améliore le comportement dynamique de la turbomachine.
De manière préférée, les premier et deuxième seuils de vibration S1, S2 sont estimés par calcul ou déterminés par mesures expérimentales réalisées sur une turbomachine. Une estimation par calcul est plus simple à mettre en oeuvre étant donné qu'elle ne nécessite pas de mobiliser une turbomachine.
De préférence, les premier et deuxième seuils de vibration S1, S2 sont égaux de manière à simplifier la commande de la pompe d'alimentation, celle-ci n'étant alors alimentée que lorsque l'amplitude des vibrations mesurée S excède le seuil de vibration S1, S2 unique.
Selon un aspect de l'invention, on prévoit un ou plusieurs seuils de vibration pour chacun des modes vibratoires de la turbomachine de manière à commander précisément l'activation de l'alimentation du film fluide d'amortissement au cours du fonctionnement de la turbomachine.
Selon un autre aspect de l'invention, on choisit un seul et unique seuil de vibration pour l'ensemble des modes vibratoires de la turbomachine, cette dernière étant alors protégée par le film fluide d'amortissement en cas de vibrations excessives, le fluide film d'amortissement ne perturbant pas le comportement aérodynamique de la turbomachine en régime stabilisé en dehors de la plage de surveillance P.
De manière avantageuse, il est également prévu un système de protection adapté pour alimenter le film fluide d'amortissement en cas de dysfonctionnement du capteur de vibration. En effet, il est important que le film fluide d'amortissement soit alimenté lorsque le régime de la turbomachine approche le régime de résonance.
Claims (2)
- REVENDICATIONS1. Procédé d'alimentation d'un film fluide d'amortissement d'un palier de guidage d'un arbre de turbomachine, ladite turbomachine étant connue pour vibrer selon au moins un mode vibratoire donné, ladite turbomachine étant adaptée pour entrer en résonance à un régime de résonance donné (wr) pour ledit mode vibratoire donné, une plage de surveillance (P) étant définie autour du régime de résonance (wr), procédé dans lequel on alimente en fluide le film fluide d'amortissement du palier de guidage uniquement lorsque le régime de rotation (w) de la turbomachine appartient à la plage de surveillance (P).
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : - on obtient l'amplitude des vibrations de la turbomachine, en fonction du régime de rotation de la turbomachine, pour une turbomachine dont le film fluide d'amortissement est alimenté ; - on obtient l'amplitude des vibrations de la turbomachine, en fonction du régime de rotation de la turbomachine, pour une turbomachine dont le film fluide d'amortissement n'est pas alimenté ; - on compare les amplitudes obtenues ; et - on en déduit la plage de régime dans laquelle l'amplitude des vibrations de la turbomachine est réduite lorsque le film fluide d'amortissement est alimenté, ladite plage formant la plage de surveillance (P). 7. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les amplitudes de vibrations de la turbomachine sont simulées par calcul à partir d'un modèle dynamique théorique de ladite turbomachine. 8. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les amplitudes de vibrations de la turbomachine sont mesurées sur une turbomachine physique. 30 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : - le film fluide d'amortissement du palier de guidage n'étant pas alimenté en fluide, on mesure l'amplitude des vibrations (S) de la turbomachine au cours du fonctionnement de la turbomachine, - on compare l'amplitude mesurée (S) à un premier seuil prédéterminé (S1), et 35 - on alimente en fluide le film fluide d'amortissement du palier de guidage en cas de dépassement du premier seuil (S1). 20 256. Procédé selon les revendications 1 ou 5, dans lequel : - le film fluide d'amortissement du palier de guidage étant alimenté en fluide, on mesure l'amplitude des vibrations de la turbomachine au cours du fonctionnement de la turbomachine, - on compare l'amplitude mesurée (S) à un deuxième seuil prédéterminé (S2), et - on stoppe l'alimentation en fluide du film fluide d'amortissement du palier de guidage si l'amplitude mesurée est inférieure au deuxième seuil (S2). 7. Procédé selon les revendications 5 et 6, dans lequel les premier et deuxième seuils (S1, 10 S2) sont égaux pour un mode vibratoire déterminé. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les premier et deuxième seuils (S1, S2) sont égaux pour tous les modes vibratoires.
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