FR3045719A1 - Procede de lubrification et de refroidissement d'organes mecaniques d'une turbomachine par du carburant - Google Patents

Procede de lubrification et de refroidissement d'organes mecaniques d'une turbomachine par du carburant Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de lubrification et de refroidissement d'organes mécaniques (16) répartis dans des enceintes pressurisées (E1-E3 ) d'une turbomachine (2), comprenant le prélèvement de carburant dans un circuit de carburant (100) de la turbomachine en aval d'une pompe haute-pression (112) dudit circuit de carburant, l'injection du carburant prélevé dans les enceintes de la turbomachine pour lubrifier et refroidir les organes mécaniques exclusivement au moyen du carburant injecté, la récupération en sortie des enceintes du carburant ayant servi à la lubrification et au refroidissement des organes mécaniques, et la réintroduction du carburant récupéré dans le circuit de carburant de la turbomachine.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la lubrification et du refroidissement d'organes mécaniques répartis dans des enceintes pressurisées d'une turbomachine, notamment aéronautique.
Un domaine privilégié d'application de l'invention est celui des turbomachines propulsant les avions sans pilote, tels que les drones, à application civile ou militaire.
La lubrification et le refroidissement d'organes mécaniques d'une turbomachine aéronautique, tels que les roulements de butée, les paliers à rouleaux, les joints en carbone, les joints radiaux segmentés, etc., sont généralement réalisés en utilisant de l'huile circulant dans un circuit d'huile dédié. Classiquement, ces circuits d'huile de lubrification comportent des échangeurs thermiques dans lesquels l'huile chauffée circule dans un conduit pour être refroidie par échange thermique avec du carburant froid prélevé dans les réservoirs de l'avion. Le carburant ainsi réchauffé peut alors être injecté dans la chambre de combustion du moteur à la température optimale pour assurer une parfaite combustion.
Cependant, cette solution de lubrification et de refroidissement nécessite d'équiper la turbomachine d'un circuit d'huile spécifiquement dédié à ces fonctions, avec les inconvénients que cela représente notamment en termes d'installation, de masse, de coût et de performances pour la turbomachine. En particulier, le recours à un circuit d'huile représente pour la maintenance un poste de dépense important.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant de supprimer le circuit d'huile dédié à la lubrification et au refroidissement d'organes mécaniques d'une turbomachine pour le remplacer par un circuit utilisant uniquement du carburant.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé de lubrification et de refroidissement d'organes mécaniques répartis dans des enceintes pressurisées d'une turbomachine, comprenant le prélèvement de carburant dans un circuit de carburant de la turbomachine en aval d'une pompe haute-pression dudit circuit de carburant, l'injection du carburant prélevé dans les enceintes de la turbomachine pour lubrifier et refroidir les organes mécaniques exclusivement au moyen du carburant injecté, la récupération en sortie des enceintes du carburant ayant servi à la lubrification et au refroidissement des organes mécaniques, et la réintroduction du carburant récupéré dans le circuit de carburant de la turbomachine.
Le procédé selon l'invention est remarquable en ce qu'il utilise uniquement du carburant pour lubrifier et refroidir les organes mécaniques des enceintes pressurisées de la turbomachine. En particulier, aucune huile n'est nécessaire pour remplir ces fonctions, même en mélange avec du carburant (le circuit d'huile de lubrification peut être totalement supprimé). Il en résulte un important gain de masse et des réductions de coûts en termes de maintenance.
Ce procédé de lubrification et de refroidissement est particulièrement destiné à être appliqué aux turbomachines propulsant des avions sans pilote, tels que les drones, à application civile ou militaire. En effet, les risques liés à la nature inflammable du carburant utilisé ici comme lubrifiant sont moindres pour des avions sans pilote.
De plus, le procédé selon l'invention peut avantageusement être implanté en lieu et place d'un circuit de post-combustion de la turbomachine (lorsque l'architecture de celle-ci l'autorise), ce qui facilite son intégration dans la turbomachine.
De préférence, le prélèvement de carburant est réalisé en aval d'une pompe haute-pression du circuit de carburant.
La récupération du carburant en sortie des enceintes peut comprendre l'aspiration d'un mélange carburant/air présent dans les enceintes au moyen de pompes volumétriques de récupération. Dans ce cas, l'air issu du mélange carburant/air présent dans les enceintes peut provenir en totalité ou en partie de l'air destiné à assurer une pressurisation desdites enceintes.
De plus, le mélange carburant/air aspiré peut être désaéré au niveau d'un réservoir tampon équipé d'un désaérateur pour séparer l'air du carburant, l'air récupéré étant réintroduit dans une veine d'écoulement au niveau de la tuyère d'éjection de la turbomachine. Dans ce cas, l'air récupéré subit avantageusement un traitement par centrifugation pour le débarrasser de tout carburant avant d'être réintroduit dans la veine d'écoulement du flux primaire de la turbomachine.
De même, le réservoir tampon équipé du désaérateur peut être relié à une pompe volumétrique pour aspirer le carburant débarrassé de l'air et le réintroduire dans le circuit de carburant de la turbomachine, cette pompe étant de préférence régulée de manière à ce que le niveau de mélange carburant/air présent dans le réservoir tampon soit maintenu dans une plage de niveaux prédéterminée (de sorte à n'aspirer que du carburant).
Le carburant récupéré peut être réintroduit dans le circuit de carburant de la turbomachine en amont ou en aval d'une pompe basse-pression dudit circuit de carburant.
La pression du carburant prélevé dans le circuit de carburant est baissée par un diaphragme ou une pompe d'alimentation avant d'être injecté dans les enceintes de la turbomachine.
Les organes mécaniques de la turbomachine peuvent comprendre des roulements de butée, des paliers à rouleaux, des joints en carbone, et des joints radiaux segmentés.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique montrant un circuit de lubrification et de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé selon un mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 2 et 3 montrent des variantes de réalisation des circuits de la figure 1.
Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à toute turbomachine aéronautique dans laquelle des organes mécaniques (tels que des roulements de butée, des paliers à rouleaux, des joints en carbone, des joints radiaux segmentés, etc.) ont besoin d'être lubrifiés et/ou refroidis. Un exemple (non limitatif) d'application est celui des turbomachines propulsant les avions sans pilote, tels que les drones, à application civile ou militaire.
De façon connue, une turbomachine aéronautique 2 telle que celle représentée sur la figure 1 comprend, d'amont en aval, une soufflante 4, un compresseur basse-pression 6, un compresseur haute-pression 8, une chambre de combustion 10, une turbine haute-pression 12 et une turbine basse-pression 14.
Typiquement, les organes mécaniques de cette turbomachine qui nécessitent d'être lubrifiés et/ou refroidis (tels que les roulements de butée, les paliers à rouleaux, etc.) sont positionnés dans différentes enceintes pressurisées de la turbomachine, c'est-à-dire des enceintes étanchéifiées par de l'air de pressurisation injecté au niveau de joints de celles-ci (flèches F sur la figure 1).
Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, les enceintes pressurisées de la turbomachine 2 renfermant des organes mécaniques 16 sont au nombre de trois ; une enceinte amont El, une enceinte intermédiaire E2, et une enceinte aval E3.
La figure 1 montre également un circuit de carburant 100 équipant classiquement une telle turbomachine et délivrant du carburant à des injecteurs 102 de la chambre de combustion 10 et à des commandes hydrauliques 104 (pour le déplacement de vérins de géométries variables du moteur). A cet effet, de façon connue, le circuit de carburant 100 peut comprendre une pompe basse-pression 106 prélevant du carburant dans un réservoir 108, un filtre principal 110 en amont de la pompe basse-pression, une pompe haute-pression 112 et un système d'asservissement 114 pour acheminer le carburant vers les injecteurs 102 et les commandes hydrauliques 104.
Selon l'invention, il est prévu de prélever du carburant du circuit de carburant 100 pour lubrifier et/ou refroidir les organes mécaniques 16 placés dans les enceintes pressurisées El à E3 de la turbomachine, puis de réinjecter ce carburant dans le circuit de carburant après l'avoir débarrassé de tout air.
En particulier, cette lubrification et ce refroidissement des organes mécaniques sont, selon l'invention, réalisés au moyen d'un circuit spécifique contenant exclusivement du carburant (tout apport d'huile étant ici inutile). A cet effet, conformément à l'invention, il est prévu de prélever du carburant en aval de la pompe haute-pression 112 du circuit de carburant 100, par exemple au niveau du système d'asservissement 114, pour l'injecter dans les enceintes pressurisées El à E3 au moyen de gicleurs de carburant (non représentés) similaires aux gicleurs d'huile connus de l'homme du métier.
Le prélèvement du carburant s'effectue avantageusement en aval de la pompe haute-pression 112 du circuit de carburant car cette dernière délivre une pression suffisante pour fournir le débit de carburant nécessaire à l'injection dans les enceintes pressurisées.
Si la pompe haute-pression 112 du circuit de carburant délivre une pression trop importante, il est possible de placer un diaphragme 116 en amont des enceintes pressurisées pour faire chuter la pression à l'entrée de ces dernières.
Alternativement, comme le régime de rotation de la pompe haute-pression 112 est typiquement proportionnel au régime de fonctionnement de la turbomachine, le diaphragme peut être remplacé par une pompe d'alimentation spécifique au circuit de refroidissement et de lubrification (notamment lorsqu'il existe des incompatibilités entre les différents régimes de fonctionnement de la turbomachine et les besoins de carburant pour refroidir et lubrifier les organes mécaniques à ces régimes de fonctionnement).
Le carburant ainsi prélevé dans le circuit de carburant 100 est réparti entre les différentes enceintes pressurisées El à E3 selon les besoins spécifiques aux organes mécaniques à refroidir et à lubrifier qui s'y trouvent. Le réglage du débit de carburant injecté dans chaque enceinte peut se faire par le réglage des gicleurs de carburant et/ou des sections des canaux d'alimentation.
Une fois chargé des calories provenant des organes mécaniques, le carburant est récupéré en sortie des enceintes par aspiration. Plus précisément, le mélange carburant/air présent dans les enceintes est aspiré au moyen de pompes volumétriques de récupération 118 après avoir traversé des barreaux magnétiques (non représentés sur les figures) destinés à récupérer les particules ferro-magnétiques du mélange et des filtres à particules 120 (situés de préférence en amont des barreaux magnétiques).
Le mélange carburant/air aspiré (en pointillés sur les figures) est désaéré au niveau d'un réservoir tampon 122 équipé d'un désaérateur pour séparer l'air du carburant. L'air ainsi récupéré passe ensuite par un dispositif de traitement par centrifugation 124 pour le débarrasser de tout carburant avant d'être réintroduit dans la veine d'écoulement au niveau de la tuyère d'éjection de la turbomachine.
Le réservoir tampon 122 équipé du désaérateur est relié à une pompe volumétrique 126 pour aspirer le carburant débarrassé de son air et le réintroduire dans le circuit de carburant 100 de la turbomachine, en amont de la pompe basse-pression 106 ou, de préférence, en aval de celle-ci comme représenté sur la figure 1. La réintroduction du carburant en aval de la pompe basse-pression 106 présente l'avantage que la pression de refoulement est plus faible en sortie de la pompe. A l'inverse, la réintroduction du carburant en amont de la pompe basse-pression peut présenter l'inconvénient de créer une trop forte pression à l'amont de la pompe, ce qui risque d'engendrer un flux inverse.
Cette pompe volumétrique 126 aspirant le carburant débarrassé de l'air est de préférence régulée de manière à ce que le niveau de mélange carburant/air présent dans le réservoir tampon 122 soit maintenu dans une plage de niveaux prédéterminée, c'est-à-dire entre une limite basse 122a et une limite haute 122b du réservoir tampon. Cette disposition avantageuse permet de s'assurer que la pompe volumétrique 126 n'aspire que du carburant (et pas de l'air).
On notera que le carburant issu du réservoir tampon 122 qui est réintroduit dans le circuit de carburant a été réchauffé par les calories provenant des organes mécaniques, ces calories étant bénéfiques pour la chambre de combustion de la turbomachine.
On notera également que si le carburant réintroduit dans le circuit de carburant est trop chaud, notamment par rapport à ce qui est nécessaire pour les phases ralenti pendant lesquelles le débit de carburant consommé est plus faible que celui consacré au refroidissement et à la lubrification des organes mécaniques, il est possible d'ajouter un échangeur thermique 128 (air/carburant ou carburant/carburant) pour diminuer cette température du carburant.
On notera encore que l'ensemble des pompes du circuit spécifique de lubrification et de refroidissement (à savoir les pompes volumétriques de récupération 118, la pompe volumétrique 126 et l'éventuelle pompe d'alimentation) sont entraînées en rotation par un ou plusieurs moteurs électriques.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, les enceintes pressurisées El à E3 de la turbomachine sont des enceintes non dégazées (« non vented » en anglais), c'est-à-dire des enceintes pour lesquelles tout l'air de pressurisation destiné à assurer leur étanchéité au niveau des joints est aspiré par les pompes volumétriques de récupération 118.
La figure 2 représente une variante de réalisation du circuit spécifique de lubrification et de refroidissement.
Dans cette variante de réalisation, les enceintes pressurisées El à E3 de la turbomachine sont dégazées (« vented » en anglais), c'est-à-dire qu'il s'agit d'enceintes pour lesquelles une partie de l'air de pressurisation destiné à assurer leur étanchéité (flèches F sur la figure 2) est évacué en sortie haute des enceintes (le reste de l'air étant mélangé au carburant et aspiré par les pompes volumétriques de récupération 118 comme décrit précédemment en liaison avec la figure 1).
Cet air évacué en sortie haute des enceintes suit un circuit spécifique 130 jusqu'au dispositif de traitement par centrifugation 124 pour être débarrassé de tout carburant avant d'être réintroduit dans la veine d'écoulement du flux primaire de la turbomachine.
On notera que la quantité de mélange carburant/air que les pompes de récupération volumétriques doivent aspirer étant moindre que dans le mode de réalisation de la figure 1, ces pompes seront moins volumineuses.
On notera également que les enceintes dégazées nécessitent des tuyaux supplémentaires (par rapport aux enceintes non dégazées de la figure 1) pour permettre le passage de l'air jusqu'au dispositif de traitement par centrifugation 124, ces tuyaux pouvant par exemple traverser des bras de carter.
La figure 3 représente une autre variante de réalisation du circuit spécifique de lubrification et de refroidissement.
Dans cette autre variante de réalisation, l'enceinte pressurisée El est une enceinte non dégazée (comme celles du mode de réalisation de la figure 1), tandis que les deux autres enceintes E2 et E3 sont des enceintes dégazées (comme celles du mode de réalisation de la figure 2).
Ainsi, pour l'enceinte El, tout l'air de pressurisation (flèches F) destiné à assurer son étanchéité au niveau de ses joints est aspiré par les pompes volumétriques de récupération 118. En revanche, pour les enceintes E2 et E3, une partie de l'air de pressurisation destiné à assurer leur étanchéité est évacué en sortie haute des enceintes pour rejoindre un circuit spécifique 130 (le reste de l'air étant mélangé au carburant et aspiré par les pompes volumétriques de récupération).
Bien entendu, il est possible d'envisager toute autre combinaison entre enceintes dégazées et enceintes non dégazées que celle présenté dans ce mode de réalisation de la figure 3.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de lubrification et de refroidissement d'organes mécaniques (16) répartis dans des enceintes pressurisées (E1-E3) d'une turbomachine (2), comprenant : le prélèvement de carburant dans un circuit de carburant (100) de la turbomachine en aval d'une pompe haute-pression (112) dudit circuit de carburant ; l'injection du carburant prélevé dans les enceintes de la turbomachine pour lubrifier et refroidir les organes mécaniques exclusivement au moyen du carburant injecté ; la récupération en sortie des enceintes du carburant ayant servi à la lubrification et au refroidissement des organes mécaniques ; et la réintroduction du carburant récupéré dans le circuit de carburant de la turbomachine.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la récupération du carburant en sortie des enceintes (E1-E3) comprend l'aspiration d'un mélange carburant/air présent dans les enceintes au moyen de pompes volumétriques de récupération (118).
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'air issu du mélange carburant/air présent dans les enceintes (E1-E3) provient en totalité ou en partie de l'air destiné à assurer une pressurisation desdites enceintes.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel le mélange carburant/air aspiré est désaéré au niveau d'un réservoir tampon (122) équipé d'un désaérateur pour séparer l'air du carburant, l'air récupéré étant réintroduit dans une veine d'écoulement au niveau de la tuyère d'éjection de la turbomachine.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'air récupéré subit un traitement par centrifugation (124) pour le débarrasser de tout carburant avant d'être réintroduit dans la veine d'écoulement du flux primaire de la turbomachine.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel le réservoir tampon (122) équipé du désaérateur est relié à une pompe volumétrique (126) pour aspirer le carburant débarrassé de l'air et le réintroduire dans le circuit de carburant de la turbomachine.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la pompe volumétrique (126) aspirant le carburant débarrassé de l'air est régulée de manière à ce que le niveau de mélange carburant/air présent dans le réservoir tampon soit maintenu dans une plage de niveaux (122a, 122b) prédéterminée.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le carburant récupéré est réintroduit dans le circuit de carburant de la turbomachine en amont ou en aval d'une pompe basse-pression (106) dudit circuit de carburant.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la pression du carburant prélevé dans le circuit de carburant est baissée par un diaphragme (116) ou une pompe d'alimentation avant d'être injecté dans les enceintes de la turbomachine.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les organes mécaniques (16) comprennent des roulements de butée, des paliers à rouleaux, des joints en carbone, et des joints radiaux segmentés.
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