FR3096742A1

FR3096742A1 - Turbomachine d’aéronef comportant une pompe débrayable de lubrification d’un réducteur de soufflante.

Info

Publication number: FR3096742A1
Application number: FR1905803A
Authority: FR
Inventors: Etienne Bernard Lepretre Jean-Baptiste
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: FR3096742B1

Abstract

L'invention concerne un turbomachine (10) d’aéronef, comportant un arbre d’entraînement (18) d’une soufflante par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique (20), la turbomachine (10) comportant en outre un circuit principal de lubrification du réducteur (20) ainsi qu’une pompe auxiliaire (24) de lubrification du réducteur, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un dispositif d’embrayage / débrayage (28) de ladite pompe auxiliaire de lubrification (24) comprenant un arbre rotatif (30) mobile en translation le long de son axe (A) apte à être, dans une première position d’accouplement, entraîné par l’arbre (18) de la soufflante (14) pour entraîner la pompe (24), et, dans une seconde position de désaccouplement, être désaccouplé d’au moins l’un des éléments choisis parmi l’arbre de la soufflante (18) et la pompe (24), sélectivement en fonction de la pression dans le circuit principal de lubrification. Figure pour l'abrégé : Figure 3

Description

Turbomachine d’aéronef comportant une pompe débrayable de lubrification d’un réducteur de soufflante.

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne une turbomachine. Le domaine d'application de l'invention est celui des turbomachines à double flux pour moteurs d'avions comportant un moteur à turbine à gaz entraînant une soufflante par l’intermédiaire d’un réducteur.

Arrière-plan technique

Une turbomachine d'aéronef a double flux comporte une moteur à turbine à gaz comportant, d'amont en aval, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression, et une turbine basse pression. La turbine haute pression entraine le compresseur haute pression par l'intermédiaire d'un arbre haute pression et ces éléments forment un corps haute pression. La turbine basse pression entraîne le compresseur basse pression par l'intermédiaire d'un arbre basse pression coaxialement intérieur à l'arbre haute pression, et ces éléments forment un corps basse pression. L'arbre basse pression peut entraîner, par l'intermédiaire d'un réducteur, une soufflante carénée placée en amont du moteur à turbine à gaz. L'air est aspiré par la soufflante et se divise en un flux primaire, canalisé de manière interne dans une veine de flux primaire qui traverse le moteur à turbine à gaz, et en un flux secondaire, qui circule autour du moteur à turbine à gaz. Les deux flux se rejoignent en aval de la turbomachine pour fournir une poussée permettant de propulser l’aéronef.

Le réducteur entraînant la soufflante comporte des pignons et des roulements internes. Il doit être alimenté en huile afin de lubrifier et refroidir les dentures de ses pignons et ses roulements.

En fonctionnement normal d’une telle turbomachine, la lubrification du réducteur est assurée par un circuit d’huile principal de la turbomachine qui comporte un réservoir d’huile et une pompe de lubrification principale entraînée mécaniquement par l’arbre haute pression de la turbomachine.

Lorsque le moteur est arrêté, il peut dans certains cas survenir que la soufflante soit néanmoins entraînée en rotation par le flux d’air la traversant. Cet entraînement, connu sous l’acronyme anglo-saxon de « windmilling », se produit au sol ou en en vol.

Dans ces conditions, la vitesse de rotation de l’arbre haute pression est faible au regard de celle de l’arbre basse pression, et elle ne permet plus d’entraîner la pompe de lubrification principale à un régime suffisant pour assurer la lubrification du réducteur. Il n’en demeure pas moins qu’il est nécessaire de continuer à lubrifier le réducteur car la soufflante à laquelle il est accouplé entraîne en rotation ses organes internes.

Il est donc nécessaire de disposer d’un système auxiliaire permettant cette lubrification pendant les phases de windmilling.

Il est connu dans ce but de disposer d’une pompe de lubrification auxiliaire reliée mécaniquement à l’arbre de la soufflante. Cette pompe auxiliaire est amorcée par la rotation de l’arbre de soufflante et est à même de fournir de l’huile au réducteur.

Cette pompe auxiliaire permet d’assurer la lubrification du réducteur lors des phases de windmilling au sol et en vol.

Toutefois, ces phases sont exceptionnelles au regard des conditions de fonctionnement normal de la turbomachine et la plupart du temps, la pompe auxiliaire de lubrification fonctionne de manière redondante en même temps que la pompe principale de lubrification qui assure déjà la lubrification du réducteur.

La pompe auxiliaire fonctionne donc la plupart du temps en pure perte, car d’une part elle est soumise à une usure inutile et, d’autre part, car elle prélève une puissance mécanique sur l’arbre de soufflante, ce qui pénalise le rendement de la turbomachine.

De plus, la pompe auxiliaire est prévue pour fonctionner à de faibles régimes de rotation, induits par la rotation de la soufflante en phase de windmilling. Or, en fonctionnement normal de la turbomachine, la soufflante est entraînée à des vitesses bien supérieures à celles de windmilling et de ce fait la pompe auxiliaire est alors entraînée à de grandes vitesses. Il est donc nécessaire de surdimensionner la pompe auxiliaire afin qu’elle résiste à des régimes élevés de rotation, ce qui en augmente la masse et pénalise la masse totale de la turbomachine.

De plus, dans les situations de fonctionnement normal de la turbomachine, la pompe auxiliaire de lubrification fournit au réducteur un débit d’huile supplémentaire qui s’additionne à celui de la pompe principale de lubrification.

Ce débit supplémentaire doit être pris en compte dans le calcul du débit du circuit principal de lubrification, ce qui complexifie fortement la conception du circuit d’huile principal du moteur et celle de son système de refroidissement.

L'invention remédie à cet inconvénient en proposant une turbomachine munie d’une pompe auxiliaire de lubrification débrayable.

Dans ce but, l'invention propose une turbomachine d’aéronef, comportant un arbre d’entraînement d’une soufflante par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique, la turbomachine comportant en outre un circuit principal de lubrification du réducteur ainsi qu’une pompe auxiliaire de lubrification du réducteur, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un dispositif d’embrayage / débrayage de ladite pompe auxiliaire de lubrification comprenant un arbre rotatif qui est mobile en translation le long de son axe entre une première position d’accouplement et une seconde position de désaccouplement, ledit arbre étant configuré, dans sa première position d’accouplement, pour être entraîné en rotation par l’arbre de la soufflante et pour entraîner en rotation un rotor de la pompe, et, dans sa seconde position de désaccouplement, pour être désaccouplé d’au moins l’un des éléments choisis parmi l’arbre de la soufflante et le rotor de la pompe, ledit arbre rotatif étant relié à un piston monté coulissant dans une enceinte d’huile reliée audit circuit principal, ledit arbre rotatif étant sollicité vers sa première position d’accouplement par des moyens de rappel élastique, ledit arbre rotatif étant configuré pour adopter sa première position d’accouplement lorsque l’huile dans ladite enceinte est à une pression inférieure à un seuil prédéterminé, et ledit arbre rotatif étant configuré pour adopter sa seconde position de désaccouplement lorsque l’huile dans ladite enceinte est à une pression supérieure audit seuil prédéterminé.

Selon d’autres caractéristiques de la turbomachine :

- lesdits moyens de rappel élastique sont situés entre un élément axialement fixe de la turbomachine et un premier organe annulaire solidaire de l’arbre rotatif,

- ledit premier organe annulaire est un pignon ou un disque d’embrayage,

- ledit pignon comprend une denture droite ou tronconique,

- la denture du pignon est configurée pour être engrenée avec une denture correspondante d’un second organe choisi parmi l’arbre de la soufflante ou un élément accouplé en rotation audit arbre, et le rotor de la pompe,

- ledit second organe est un arbre radial accouplé en rotation avec l’arbre de la soufflante, et sa denture correspondante est située à une extrémité dudit arbre radial,

- le rotor de la pompe auxiliaire comprend un moyen de couplage audit arbre rotatif,

- ledit moyen de couplage est du type à cannelures,

- dans sa première position d’accouplement, l’arbre mobile est entraîné en rotation indirectement par l’arbre de la soufflante.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

La figure 1 est une vue schématique de principe d’une turbomachine selon l'état de la technique ;

La figure 2 est une vue schématique de principe d’une turbomachine selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

La figure 3 est une vue schématique d’un premier mode de réalisation d’un dispositif d’embrayage / débrayage de la pompe auxiliaire de lubrification de la turbomachine, représenté en position débrayée ;

La figure 4 est une vue schématique du dispositif d’embrayage / débrayage de la pompe auxiliaire de lubrification de la turbomachine de la figure 3, représenté en position embrayée ;

La figure 5 est une vue schématique d’un second mode de réalisation d’un dispositif d’embrayage / débrayage de la pompe auxiliaire de lubrification de la turbomachine, représenté en position débrayée ;

La figure 6 est une vue schématique du dispositif d’embrayage / débrayage de la pompe auxiliaire de lubrification de la turbomachine de la figure 5, représenté en position embrayée ;

La figure 7 est une vue schématique de principe d’une turbomachine selon un second mode de réalisation de l'invention.

Description détaillée de l'invention

On a représenté à la figure 1 de manière schématique une partie 12 d’une turbomachine d’aéronef 10 consacré à l’entraînement d’une soufflante 14.

De manière connue, la turbomachine 10 comporte un arbre 16, par exemple un arbre de turbine basse pression (non représentée) de la turbomachine qui entraîne un arbre 18 de la soufflante 14 par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique 20.

La turbomachine 10 comporte en outre un circuit principal de lubrification du réducteur 20, dont on aperçoit ici un conduit terminal 22 relié à un carter du réducteur 20.

Conventionnellement, la turbomachine 10 comporte une pompe auxiliaire 24 de lubrification du réducteur 20, et qui est reliée au carter du réducteur 20 par une canalisation 26. La pompe auxiliaire 24 est alimentée en huile par un circuit d’huile indépendant, ou par une dérivation du circuit d'huile principal. La pompe auxiliaire 24 est destinée à assurer la lubrification du réducteur 20 lorsque celle-ci n’est plus assurée par le circuit d’huile principale, par exemple lorsque la turbomachine est à l’arrêt et que la soufflante 14 est néanmoins entraînée en rotation par un vent relatif, que ce soit au sol ou en vol.

Selon cette conception, la pompe auxiliaire 24 est entraînée en permanence par l’arbre 18 d’entraînement de la soufflante 14 ce qui présente plusieurs inconvénients.

La pompe auxiliaire 24 fonctionne la plupart du temps en pure perte puisque la lubrification est assurée par le circuit d'huile principal. En ce cas, elle est d’une part soumise à une usure inutile et d’autre part, elle prélève une puissance mécanique sur l’arbre 18 d’entraînement de la soufflante 14, ce qui pénalise le rendement global de la turbomachine 10.

D’autre part, une telle pompe auxiliaire 24 est prévue pour fonctionner pour de faibles régimes de rotation de la soufflante 14. Comme elle est accouplée en permanence à l’arbre 18 d’entraînement de la soufflante 14, elle est la plupart du temps entraînée à des vitesses bien supérieures à sa vitesse optimale de fonctionnement, ce qui nécessite de la surdimensionner lors de sa conception pour en assurer la résistance. Ce surdimensionnement pénalise la masse totale de la turbomachine.

En outre, dans les situations de fonctionnement normal de la turbomachine, la pompe auxiliaire de lubrification 24 fournit au réducteur un débit d’huile supplémentaire qui s’additionne à celui de la pompe principale de lubrification. Ce débit supplémentaire doit être pris en compte dans le calcul du débit du circuit principal de lubrification principal, ce qui complexifie fortement la conception du circuit d’huile principal de la turbomachine 10 et de son système de refroidissement.

Conformément à l’invention la turbomachine 10 comprend en outre un dispositif 28 d’embrayage / débrayage de la pompe auxiliaire 24 de lubrification, comme représenté à la figure 2. Ce dispositif 28 permet de débrayer la pompe de l’arbre de soufflante 18 lorsqu’elle n’est pas utilisée, ce qui permet d’éliminer tous les inconvénients susmentionnés.

Avantageusement, comme l’illustrent les figures 3 à 6, le dispositif 28 d’embrayage / débrayage de la pompe auxiliaire 24 est un dispositif automatique commandé par la pression du circuit d’huile principal.

Comme l’illustre un premier mode de réalisation de ce dispositif 28 qui a été représenté à la figure 3, le dispositif 28 comprend un arbre rotatif 30 qui est mobile en translation le long de son axe A. Cet arbre 30 est mobile entre une première position d’accouplement, représentée aux figures 4 et 6, dans laquelle il est configuré pour être entraîné en rotation par l’arbre 18 de la soufflante et pour entraîner en rotation un rotor 32 de la pompe 24 précédemment décrite, et une seconde position de désaccouplement, représentée aux figures 3 et 5, dans laquelle l’accouplement précédemment décrit est rompu.

Selon un premier mode de réalisation du dispositif 28 qui a été représenté aux figures 3 et 4, le rotor de 32 de la pompe 24 est par exemple constitué d’un boitier tubulaire 32 auquel l’arbre 30 est lié en rotation tout en y étant monté de manière coulissante. Le rotor de la pompe auxiliaire ou boîtier 32 comprend à cet effet un moyen de couplage 33 à l’arbre rotatif 30, qui est préférentiellement un moyen de couplage du type à cannelures.

L’arbre 30 est mobile axialement dans ce boitier tubulaire 32 et il est solidaire d’un premier organe annulaire 34 destiné à coopérer avec un second organe 36 solidaire de l’arbre 18 de soufflante. En fonction du positionnement du dispositif 28 dans la turbomachine, le second organe 36 peut être solidaire directement de l’arbre de soufflante 18, comme représenté aux figures 3 et 4, ou en variante (non représentée) être déporté radialement et en ce cas être situé à une extrémité d’un arbre radial accouplé en rotation avec l’arbre 18 de la soufflante.

Pour rompre l’accouplement de ce premier mode de réalisation, l’arbre 30 est donc mû en coulissement de manière que son premier organe 34 annulaire soit désaccouplé du second organe 36 solidaire de l’arbre 18 de soufflante, comme représenté à la figure 3.

Selon un second mode de réalisation du dispositif 28 qui a été représenté aux figures 5 et 6, l’arbre 30 est lié en rotation et monté de manière coulissante dans un boîtier tubulaire 38 qui est lié de manière permanente en rotation à l’arbre 18 de soufflante.

De la même manière que pour le premier mode de réalisation, le boîtier 38 comprend un moyen de couplage 33 à l’arbre rotatif 30, qui est préférentiellement un moyen de couplage du type à cannelures.

A cet effet, le boîtier 38 comporte par exemple une couronne dentée externe 40 qui engrène avec une couronne 42 solidaire de l’arbre de soufflante 18. Le boîtier tubulaire 38 est par ailleurs monté en rotation par l’intermédiaire d’au moins un palier 44 par rapport à un carter 46 de la turbomachine.

L’arbre 30 est mobile axialement par rapport à ce boitier tubulaire 38 et il est également solidaire d’un premier organe annulaire 34 destiné à coopérer avec un second organe 36 solidaire d’un rotor 32 de la pompe 24.

Pour rompre l’accouplement de ce second mode de réalisation, l’arbre 30 est donc mû en coulissement de manière que son premier organe 34 annulaire soit désaccouplé du second organe 36 solidaire du rotor 32 de la pompe 24, comme représenté à la figure 5.

Dans un mode de réalisation comme dans l’autre, l’arbre 30 est susceptible d’être mû axialement de manière hydraulique.

A cet effet, l’arbre rotatif 30 est relié à un piston 48 qui est monté coulissant dans une enceinte d’huile 50 qui est reliée au circuit d’huile principal.

Par défaut, l’arbre rotatif est sollicité vers sa première position d’accouplement des figures 4 et 6 par des moyens de rappel élastique 52. Par exemple, les moyens de rappel élastique sont situés entre un élément axialement fixe de la turbomachine et le premier organe annulaire 34 solidaire de l’arbre rotatif 30.

Par exemple, et de manière non limitative de l’invention, dans le premier mode de réalisation de l’invention, l’élément axialement fixe de la turbomachine est un corps fixe 54 de la pompe 24, contenant le boîtier 32. Les moyens de rappel élastique 52 sont par exemple un ressort hélicoïdal interposé entre le corps fixe 54 de la pompe 24 et le premier organe annulaire 34 solidaire de l’arbre rotatif 30

Dans le second mode de réalisation de l’invention, l’élément axialement fixe de la turbomachine est le boîtier 38. Les moyens de rappel élastiques 52 sont par exemple un ressort hélicoïdal interposé entre le boîtier 38 et le premier organe annulaire 34 solidaire de l’arbre rotatif 30

L’arbre rotatif est configuré pour adopter sa première position d’accouplement lorsque l’huile dans l’enceinte 50 est à une pression inférieure à un seuil prédéterminé. En ce cas, comme représenté aux figures 3 et 5, le moyen de rappel élastique 52 repousse l’arbre vers sa première position d’accouplement.

Inversement, lorsque l’huile dans l’enceinte 50 est à une pression supérieure audit seuil, c’est-à-dire dans le cas des figures 4 et 6, qui correspond à un cas de fonctionnement normal de la turbomachine, le piston 48, soumis à la pression d’huile dans l’enceinte 50, s’oppose à l’effort antagoniste du moyen de rappel élastique 52, et l’arbre rotatif 30 est repoussé vers sa seconde position de désaccouplement.

Le premier organe annulaire 34 peut prendre différentes formes. Il peut, comme représenté aux figures 3 à 6, être un pignon 34 engrené avec une denture correspondante du second organe 36 de l’arbre de la soufflante ou de l’arbre 38 formant le rotor de la pompe 24.

Dans le cas notamment ou le second organe est un arbre radial accouplé à l’arbre de soufflante, la denture du second organe est agencée à l’extrémité de cet arbre radial.

Ainsi, dans le premier mode de réalisation, le pignon 34 engrène avec une couronne dentée 36 de l’arbre 18 de la soufflante, comme représenté à la figure 4.

Dans le second mode de réalisation, le pignon 34 engrène avec un pignon 36 solidaire de l’arbre 38 formant rotor de la pompe 24.

Dans les deux cas, le pignon 34 peut comprendre une denture droite ou tronconique.

En variante (non représentée) le premier organe annulaire 34 pourrait être un disque d’embrayage coopérant avec un plateau d’embrayage 36.

Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention qui a été représenté à la figure 7, le dispositif d’embrayage / débrayage 28 de ladite pompe auxiliaire de lubrification n’est pas susceptible d’être lié en rotation directement à l’arbre de soufflante 18, mais indirectement à celui-ci par l’intermédiaire du réducteur 20. Cette configuration permet de proposer des vitesses de rotation différentes de la pompe auxiliaire 24, en fonction des organes du réducteur 20 auxquels le dispositif 28 est lié en rotation.

Le dispositif 28 permet donc très simplement d’accoupler et de désaccoupler de manière automatique une pompe auxiliaire 24 de lubrification d’un réducteur de turbomachine en fonction de la pression régnant dans le circuit principal. Cette configuration permet de bénéficier d’une pompe 24 de dimensions réduites, par conséquent plus légère, ce qui permet d’alléger la turbomachine. De plus, cette conception simplifie le circuit d’huile.

Claims

Turbomachine (10) d’aéronef, comportant un arbre d’entraînement (18) d’une soufflante par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique (20), la turbomachine (10) comportant en outre un circuit principal de lubrification du réducteur (20) ainsi qu’une pompe auxiliaire (24) de lubrification du réducteur, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un dispositif d’embrayage / débrayage (28) de ladite pompe auxiliaire de lubrification (24) comprenant un arbre rotatif (30) qui est mobile en translation le long de son axe (A) entre une première position d’accouplement, et une seconde position de désaccouplement, ledit arbre (30) étant configuré, dans sa première position d’accouplement, pour être entraîné en rotation par l’arbre (18) de la soufflante (14) et pour entraîner en rotation un rotor de la pompe (24), et, dans sa seconde position de désaccouplement, pour être désaccouplé d’au moins l’un des éléments choisis parmi l’arbre de la soufflante (18) et le rotor (32) de la pompe (24), ledit arbre rotatif (30) étant relié à un piston (48) monté coulissant dans une enceinte d’huile (50) reliée audit circuit principal,
ledit arbre rotatif (30) étant sollicité vers sa première position d’accouplement par des moyens (52) de rappel élastique,
ledit arbre rotatif (30) étant configuré pour adopter sa première position d’accouplement lorsque l’huile dans ladite enceinte (50) est à une pression inférieure à un seuil prédéterminé,
et ledit arbre rotatif (30) étant configuré pour adopter sa seconde position de désaccouplement lorsque l’huile dans ladite enceinte (50) est à une pression supérieure audit seuil.
Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de rappel élastique (52) sont situés entre un élément axialement fixe (54, 38) de la turbomachine et un premier organe annulaire (34) solidaire de l’arbre rotatif (30).
Turbomachine (10) selon la revendication 2, dans lequel ledit premier organe annulaire (34) est un pignon ou un disque d’embrayage.
Turbomachine (10) selon la revendication 3, dans lequel ledit pignon comprend une denture droite ou tronconique.
Turbomachine selon la revendication 4, dans lequel la denture du pignon (34) est configurée pour être engrenée avec une denture correspondante d’un second organe (36) choisi parmi l’arbre (18) de la soufflante ou un élément accouplé en rotation avec ledit arbre (18), et le rotor (32) de la pompe (24).
Turbomachine (10) selon la revendication 5, dans lequel ledit second organe (36) est un arbre radial accouplé en rotation avec l’arbre (18) de la soufflante, et sa denture correspondante est située à une extrémité de l’arbre radial.
Turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rotor (32) de la pompe auxiliaire (24) comprend un moyen de couplage (33) audit arbre rotatif (30).
Turbomachine (10) selon la revendication 7, dans lequel ledit moyen de couplage (33) est du type à cannelures.
Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans lequel dans sa première position d’accouplement, l’arbre mobile (30) est entraîné en rotation indirectement par l’arbre (18) de la soufflante.