FR3092366A1

FR3092366A1 - Dispositif d’evacuation d’une enceinte lubrifiee ventilee d’une turbomachine

Info

Publication number: FR3092366A1
Application number: FR1901006A
Authority: FR
Inventors: Jean-Philippe Beaujard Antoine; Roger Gaston Caty Fabien; Paco Maurer
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2039-02-01
Also published as: FR3092366B1; US20200248587A1; US11377978B2

Abstract

Une enceinte (19) ventilée, soumise à une irruption d’air à pression supérieure d’une enceinte environnante (20) par des joints d’étanchéité à labyrinthe les séparant, et à une évacuation de l’air en excès par un conduit d’évacuation (30), comporte, dans ce dernier, un compresseur motorisé (32) pour favoriser l’aspiration et l’évacuation, même quand le régime du moteur ne permet pas une surpression importante dans l’enceinte (20). Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

DISPOSITIF D’EVACUATION D’UNE ENCEINTE LUBRIFIEE VENTILEE D’UNE TURBOMACHINE

Le sujet de l’invention est un dispositif d’évacuation d’une enceinte lubrifiée ventilée d’une turbomachine.

Les enceintes qu’on appelle ventilées sont du genre de la figure 1 et peuvent servir, sans exclusive toutefois, à assurer la lubrification de roulements de guidage en rotation d’arbres de turbomachines propulsant des aéronefs. L’enceinte 1 comprend une paroi 2 entourant un palier 3 de support d’un arbre 4 tournant et sortant de l’enceinte 1 par deux ouvertures 5 de la paroi 2, équipées chacune d’un joint d’étanchéité 6. L’enceinte 1 est située sur un circuit de lubrification 7 seulement schématisé ici, qui comprend un raccord supérieur 8 à travers la paroi 2, par lequel l’huile de lubrification du palier 3 est introduite dans l’enceinte 1, un raccord inférieur 9 à travers la paroi 2 par lequel l’huile en excès est retirée de l’enceinte 1, et une pompe 10 assurant la circulation.

Il est avantageux souvent que les joints d’étanchéité 6 soient des joints à labyrinthe, c’est-à-dire des joints sans frottement et composés de reliefs opposés créant des réductions de section entrainant des différentiels de pression à travers eux. Ces différentiels de pression, importants, rendent les fuites plus difficiles, mais ne les suppriment pas complètement. Or il convient d’éviter la dissémination de l’huile hors l’enceinte 1, pour éviter divers inconvénients, comme la cokéfaction ou le risque d’incendie sur une zone chaude du moteur, la pollution du moteur et de ses alentours, la consommation excessive d’huile, des défauts de lubrification du palier ou la formation d’un balourd liquide. On crée alors une pressurisation d’une enceinte extérieure 11 entourant l’enceinte 1 contenant le palier 3, afin de forcer un débit d’air pressurisé dans cette enceinte 1 à travers les joints d’étanchéité 6 et d’éviter ainsi les fuites d’huile en sens inverse. L’enceinte 1 est alors munie d’une ouverture supplémentaire 12 qui la raccorde à un conduit d’évacuation 13 de l’air en excès, menant typiquement à l’atmosphère extérieure et qui comprend un déshuileur 14 pour intercepter le contenu huileux en suspension dans l’air évacué et le renvoyer au circuit de lubrification 7.

La pression de l’enceinte extérieure 11 est normalement produite par un soutirage d’air originaire des compresseurs de la turbomachine. Cet air comprimé est soustrait à l’écoulement principal, utile au rendement de la machine, et diminue donc la poussée qu’elle produit. Il apparaît aussi que la pressurisation de l’enceinte extérieure 11 se révèle insuffisante dans certains états du moteur ou certaines circonstances. Le confinement de l’huile risque alors de n’être plus assuré, et on peut alors adjoindre au dispositif une trompe à jet 15 à l’aval du conduit d’évacuation 13, afin d’y produire une aspiration de l’atmosphère de l’enceinte 13. Le fonctionnement de la trompe à jet 15 est commandé par une vanne 16 qui permet ou interrompt la circulation d’air du moteur, originaire d’un point de prélèvement 17 en aval de celui ou ceux 18 utilisés pour pressuriser l’enceinte extérieure 11. La vanne 16 est ouverte quand la pressurisation de l’enceinte extérieure 11 devient insuffisante. La trompe à jet 15 est alimentée et crée une dépression dans le conduit d’évacuation 13, qui renforce l’aspiration de l’enceinte 1 pour compenser la faiblesse de pressurisation de l’enceinte extérieure 11 et maintenir donc une différence de pression suffisante à travers les joints d’étanchéité 6. Mais cette amélioration comporte elle-même certains inconvénients. La vanne 7 fonctionnant en tout ou rien, sans état intermédiaire, des à-coups de fonctionnement ne peuvent être évités. Le prélèvement d’air supplémentaire est lui aussi nuisible au rendement du moteur, sans qu’on puisse se passer du prélèvement principal par le ou les points 18. Pour être efficace, l’aspiration par la trompe à jet 15 impose certaines contraintes de dimensionnement : il peut ainsi être nécessaire d’agrandir le rayon du conduit d’évacuation 13 pour y diminuer les pertes de charge, d’où un encombrement plus important. Le circuit pneumatique d’alimentation de la trompe à jet 15 entraîne lui-même des difficultés d’aménagement. Enfin, le dispositif n’est pas toujours efficace, comme aux bas régimes du moteur de début du démarrage ou de ralenti, où la pompe à jet 15 est peu active.

L’invention a été conçue pour remplacer la conception existante décrite ci-dessus et obvier à ses inconvénients. Sous une forme générale, elle concerne un dispositif d’évacuation d’une enceinte lubrifiée ventilée d’une turbomachine, ledit dispositif comprenant un conduit de ventilation reliant l’enceinte à un milieu ambiant autour de la turbomachine, caractérisé en ce qu’il comprend un compresseur motorisé dans le conduit, créant une dépression dans le conduit et une aspiration de l’enceinte.

Le compresseur motorisé peut être un dispositif de petit volume et qui impose moins de contraintes d’aménagement pour la machine que la trompe à jet, puisqu’il peut être commandé par l’intermédiaire d’un simple fil électrique, moins encombrant qu’un circuit pneumatique, menant à un dispositif de commande à l’extérieur du moteur. La commande peut être variable entre l’état arrêté et le plein régime du moteur électrique, avec donc des états intermédiaires. La perturbation sur l’écoulement principal de la turbomachine est moindre grâce à l’omission du prélèvement par le point 17. On dispose d’une grande liberté de conception pour le dispositif, qui est indépendant du reste de la turbomachine. Et l’aspiration peut être accomplie même si le conduit d’évacuation est de petit rayon.

Dans des modes de réalisation préférés de l’invention, le conduit de ventilation est un tube central coaxial à l’axe de rotation d’un rotor de la turbomachine et solidaire du rotor.

Avantageusement, le compresseur motorisé est alors installé devant une extrémité proche du milieu ambiant dudit tube central, relié à ladite extrémité par un joint tournant d’étanchéité, et coaxial audit axe de rotation.

Le tube central peut être inclus dans un arbre basse pression appartenant au rotor de la turbomachine. Enfin, il est encore avantageux que le compresseur motorisé soit logé dans un creux d’un cône arrière appartenant à un stator de la turbomachine, et auquel il est relié par un support.

L’invention sera maintenant décrite plus en détail au moyen des figures suivantes, qui en représentent une réalisation purement illustrative, donnée afin de faire mieux apparaître les caractéristiques, avantages et aspects de celle-là.

, déjà décrite, représente un dispositif conforme à l’art antérieur ;

est une vue générale du dispositif de l’invention ;

est une vue de détail du compresseur motorisé et de ses alentours.

On passe au commentaire de la figure 2.

L’enceinte contenant le roulement ou plus généralement le palier lubrifié porte désormais la référence 19, et l’enceinte extérieure la référence 20. Le roulement 21 contenu dans l’enceinte 19 est situé entre ici un arbre basse pression 22 et un stator 23 de la turbomachine. Le prélèvement d’air dans l’enceinte extérieure 20 peut s’effectuer par deux points de prélèvement 24 et 25, comme dans la conception antérieure ; il faut toutefois remarquer que le dispositif de l’invention permettra, notamment dans certaines réalisations où il est constamment actif et exerce donc une aspiration permanente de l’enceinte 19, que la pressurisation de l’enceinte extérieure 20 soit moins importante, que le point de prélèvement 24 le plus en amont soit avancé pour prélever de l’air moins comprimé, et même qu’il soit situé avant les compresseurs 26 et éventuellement la soufflante 27 de la turbomachine, et prélève de l’air ambiant sur un cône d’entrée 28. L’écoulement dans la veine 29 de la turbomachine sera moins perturbé, et la perte de rendement sera réduite.

Le conduit d’évacuation d’air huilé hors de l’enceinte 19 est un tube d’éventement central 30 disposé à l’intérieur de l’arbre basse pression 22, près de l’axe X du turbomoteur. Il s’étend vers l’aval de la turbomachine jusqu’à un cône arrière 31 dans lequel est logé le compresseur motorisé 32 caractérisant l’invention.

On se reporte à la figure 3. Le tube d’éventement central 30 comprend un manchon arrière 33 dans l’extrémité duquel pénètre un boîtier 34 du compresseur motorisé 32 ; un joint d’étanchéité tournant 35 est intercalé entre eux.

Le compresseur motorisé 32 comporte une veine 36 de circulation d’air et un arbre tournant 37 du compresseur motorisé 32, coaxiaux à l’axe X de la turbomachine. La veine 36 s’étend d’une extrémité à l’autre du boîtier 34 et permet donc de faire communiquer l’intérieur du tube d’éventement 30 avec l’extérieur de la turbomachine. Le compresseur motorisé 32 se divise en une partie de compression, composée d’une ou plusieurs étages de compression 38 étagés le long de l’arbre tournant 37, et un moteur électrique 39. Les étages de compression 38 comprennent classiquement des aubes de rotor tournant avec l’arbre tournant 37 et pouvant alterner avec des aubes fixes solidaires du boîtier 34, la veine 36 étant conique vers l’aval, de plus en plus étroite d’un étage de compression 38 à l’autre. Le moteur électrique 39 est situé à l’arrière des étages de compression 38 et la veine 36 s’élargit à son endroit pour le loger : la veine 36 contourne le moteur électrique 39. Il comprend un noyau ferromagnétique 40 monté sur l’arbre tournant 37 et des bobines 41 l’entourant et solidaires du boîtier 34. Les bobines 41 sont alimentées par un câble électrique 49 pouvant avoir une portion extérieure au cône arrière 31, et calorifugé si une autre portion doit passer devant des portions chaudes de la turbomachine, le long d’un bras radial de la turbine qui traverse la veine d’écoulement par exemple. Le câble électrique 49 aboutit à un dispositif de commande 50 qui peut être extérieur à la turbomachine. Un roulement à billes 42 et un roulement à rouleaux 43 permettent de soutenir l’arbre tournant 37 par le boîtier 34 de part et d’autre du moteur électrique 39. Ils sont logés dans des boîtes à graisse et se passent donc de circuit de lubrification. Le boîtier 34 comprend, entre les roulements 42 et 43, une collerette extérieure 44 circulaire par laquelle il est bridé, à une portion de support 45 appartenant au cône arrière 41.

Le dispositif peut être prévu avec un nombre quelconque d’étages de compression 38. Ceux-ci ont un écoulement axial, ce qui n’est pas indispensable, mais apprécié pour réduire l’encombrement radial du dispositif ; des étages de compressions centrifuges seraient possibles. Le dispositif directement intégré et coaxial au tube d’éventement central 30 au moyen du joint tournant 35 donne aussi un encombrement réduit.

Le fonctionnement du moteur électrique 39 peut être permanent ou intermittent, selon notamment les régimes de la turbomachine, ou les phases de vol de l’aéronef dans le cas où la turbomachine en propulse un. La commande par le dispositif 50 s’effectue normalement de façon automatique, selon les indications de divers capteurs de la turbomachine ou de l’aéronef. La vitesse de rotation de l’arbre tournant 37 peut être choisie librement à l’intérieur d’une plage de fonctionnement admissible, et l’aspiration produite dans le conduit d’évacuation central 30 peut donc être réglée finement.

En plaçant le compresseur motorisé 32 dans le creux du cône arrière 31, aucun accroissement réel de l’encombrement n’est produit, notamment dans la direction de l’axe X.

Claims

Dispositif d’évacuation d’une enceinte lubrifiée ventilée d’une turbomachine, ledit dispositif comprenant un conduit de ventilation reliant l’enceinte à un milieu ambiant autour de la turbomachine, caractérisé en ce qu’il comprend un compresseur motorisé (32) dans le conduit, créant une dépression dans le conduit (30) et une aspiration de l’enceinte (19).
Dispositif d’évacuation d’une enceinte lubrifiée ventilée selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit de ventilation est un tube central (30), coaxial à un axe de rotation (X) d’un rotor (22) de la turbomachine et solidaire dudit rotor.
Dispositif d’évacuation d’une enceinte lubrifiée ventilée selon la revendication 2, caractérisé en ce que le compresseur motorisé (32) est installé devant une extrémité (33) proche du milieu ambiant dudit tube central (30), relié à ladite extrémité par un joint tournant (35) d’étanchéité, et coaxial audit axe de rotation (X).
Dispositif d’évacuation d’une enceinte lubrifiée ventilée selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le tube central (30) est inclus dans un arbre basse pression (22) appartenant au rotor de la turbomachine.
Dispositif d’évacuation d’une enceinte ventilée selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le compresseur motorisé (32) est logé dans un creux d’un cône arrière (31) appartenant à un stator de la turbomachine, et auquel il est relié par un support (45).
Dispositif d’évacuation d’une enceinte ventilée selon la revendication 5, caractérisé en ce que le compresseur motorisé (32) comprend une collerette (44) circulaire bridée au support (45).
Dispositif d’évacuation d’une enceinte ventilée selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compresseur motorisé (32) comprend au moins un étage compresseur (38) et un moteur électrique (39) commandé par un câble électrique (49) menant à un dispositif de commande (50) extérieur à la turbomachine.
Dispositif d’évacuation d’une enceinte ventilée selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le compresseur motorisé (32) comprend au moins un étage de compression à écoulement axial.
Turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend une enceinte (19) lubrifiée ventilée, et un dispositif d’évacuation de l’enceinte lubrifiée ventilée selon l’une quelconque des revendications précédentes.
Turbomachine selon la revendication 9, caractérisée en ce qu’elle comprend un point de prélèvement (24) d’air vers une enceinte pressurisée (20) entourant l’enceinte lubrifiée ventilée (19), ledit point de prélèvement (24) étant situé en amont de compresseurs (26), d’une soufflante d’entrée (27) si elle existe, de la turbomachine, ledit air étant à pression ambiante.