FR3108945A1 - Module de turbomachine equipe d’une machine electrique - Google Patents
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Abstract
TITRE : MODULE DE TURBOMACHINE EQUIPE D’UNE MACHINE ELECTRIQUE
L’invention concerne un module de turbomachine comprenant :
un arbre de soufflante (6),un arbre de puissance (15) entraînant en rotation l’arbre de soufflante via un réducteur de vitesse (21) agencé dans une enceinte de lubrification (22), un système de lubrification (50) du réducteur de vitesse (21) comportant un circuit principal (51), fermé, pour alimenter l’enceinte de lubrification, et un circuit auxiliaire (60), fermé, pour alimenter l’enceinte de lubrification lorsque le circuit principal est inactif, le circuit auxiliaire comprenant une pompe auxiliaire (61) entraînée par un moteur électrique (63), etune machine électrique (65) configurée de manière à alimenter le moteur électrique (63), la machine électrique comportant un rotor relié à l’arbre de soufflante pour être entrainé en rotation et un stator monté sur un élément fixe supportant au moins en partie la machine électrique.
Figure pour l’abrégé : Figure 3a
Description
Domaine de l’invention
La présente invention est relative au domaine des turbomachines équipées de réducteur. Elle vise en particulier un module de turbomachine équipé d’une machine électrique destinée à alimenter une pompe auxiliaire d’un système de lubrification d’au moins un équipement de la turbomachine et la turbomachine correspondante.
Etat de la technique
Une turbomachine d’aéronef telle qu’une turbomachine double flux comprend de manière générale une soufflante carénée disposée en entrée de la turbomachine et qui est entrainée en rotation par un arbre basse pression. Un réducteur peut être interposé entre la soufflante et l’arbre basse pression pour que la soufflante tourne à une vitesse inférieure à celle de l’arbre de basse pression. La réduction de la vitesse permet également d’augmenter la taille de la soufflante permettant alors d’atteindre des taux de dilution très élevés.
Les réducteurs (également désignés par le terme anglais « Reduction Gear Box » et siglé RGB) sont du type à train planétaire ou épicycloïdal. Ils sont généralement équipés de plusieurs roues et/ou pignons d’engrenage rotatifs dont la lubrification et le refroidissement dans toutes les circonstances sont des aspects primordiaux pour le bon fonctionnement de la turbomachine et son rendement. En effet, lorsque le réducteur de vitesse n’est pas suffisamment lubrifié, les frottements entre les dents des roues et/ou pignons d’engrenage ou au niveau des paliers entraînent leurs usures prématurées et ainsi une baisse du rendement du réducteur de vitesse. Ces paliers, roues et/ou pignons d’engrenage des réducteurs de vitesse peuvent générer une puissance thermique très élevée qui doit être évacuée pour éviter l’endommagement du réducteur de vitesse.
Il est connu des systèmes de lubrification conçus pour envoyer un débit d’huile important pouvant atteindre plusieurs milliers de litres par heure, par exemple supérieur à 5000 litres par heure en fonction de l’architecture de la turbomachine pour lubrifier le réducteur de vitesse et les paliers. Les systèmes de lubrification comprennent généralement un circuit principal comprenant au moins un réservoir et une pompe principale, et qui est destiné à alimenter une enceinte de lubrification dans laquelle sont agencés le réducteur et les paliers. La pompe principale est entraînée mécaniquement par l’arbre haute pression de la turbomachine via une boîte d’accessoires. Dans ce cas, le circuit principal ne permet la lubrification et le refroidissement du réducteur et des paliers que lorsque l’arbre haute pression tourne, soit lorsque la turbomachine a déjà démarré et en vol. Le système de lubrification comprend également un circuit auxiliaire, avec un réservoir auxiliaire et une pompe auxiliaire, pour couvrir les autres cas de fonctionnement de la turbomachine, c’est-à-dire, pendant la phase du démarrage, ou d’arrêt, ou encore lorsque l’arbre de soufflante tourne librement grâce à l’action du vent et entraîne en rotation l’arbre basse pression auquel il est couplé. Ce dernier cas est connu sous le terme anglais de « WindMilling ». Il existe une solution de type mécanique où la pompe auxiliaire est entraînée par le réducteur et où le fonctionnement doit être adapté avec des organes adéquats dans tous les cas de rotation de la soufflante en WindMilling (sens horaire et antihoraire). Cette pompe mécanique présente un montage relativement compliqué et est encombrante. D’autre part, la pompe mécanique fonctionne continuellement, ce qui entraîne une usure prématurée de celle-ci et il est nécessaire de mettre en place une technologie spécifique pour qu’elle puisse tourner dans les deux sens dans le cas de WindMilling. Il existe une solution de type électrique où la pompe auxiliaire est alimentée par une puissance extérieure de l’enceinte de lubrification telle qu’une batterie qui pénalise la masse de la turbomachine.
La présente invention a notamment pour objectif de fournir une solution permettant d’alimenter de manière autonome la pompe auxiliaire d’un système de lubrification tout en évitant de pénaliser la masse de la turbomachine et en facilitant le montage et le démontage des organes de la turbomachine.
Nous parvenons à cet objectif, conformément à l’invention, grâce à un module de turbomachine comprenant :
- un arbre de soufflante guidé en rotation autour d’un axe longitudinal X par au moins un premier palier de guidage monté sur un premier support de palier qui est fixé à une structure fixe de la turbomachine,
- un arbre de puissance entraînant en rotation l’arbre de soufflante par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse agencé dans une enceinte de lubrification de la turbomachine,
- un système de lubrification d’au moins du réducteur de vitesse comportant un circuit principal, fermé, destiné à alimenter l’enceinte de lubrification, et un circuit auxiliaire, fermé, destiné à alimenter l’enceinte de lubrification lorsque le circuit principal est inactif, le circuit auxiliaire comprenant au moins une pompe auxiliaire d’alimentation entraînée par un moteur électrique,
- le module comprenant en outre une machine électrique configurée de manière à alimenter le moteur électrique de la pompe auxiliaire et qui est portée au moins en partie par le premier support de palier, la machine électrique comportant un rotor relié à l’arbre de soufflante de manière à être entrainé en rotation autour d’un axe de rotation A parallèle à l’axe longitudinal X et un stator monté sur un élément fixe supportant au moins en partie la machine électrique.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, grâce à la liaison du rotor de la machine électrique avec l’arbre de soufflante, la pompe auxiliaire du système de lubrification est directement alimentée pour permettre la circulation du lubrifiant dans le circuit auxiliaire destiné à alimenter l’enceinte de lubrification, notamment lorsque la pompe principale est inactive. En effet, la pompe principale ne fonctionne que lorsque l’arbre haute pression tourne à une vitesse prédéterminée alors que l’arbre de soufflante est entraîné en rotation par l’action du vent (WindMilling) lorsque l’aéronef est au sol et lors de l’arrêt de la turbomachine, au démarrage de la turbomachine ou encore lors de la ventilation. La machine électrique tire parti de la rotation de l’arbre de soufflante dans différents cas de sorte que le rotor de la machine électrique soit alors également entraîné en rotation dans tous les cas de fonctionnement pour générer de la puissance électrique qui pourra être utilisée pour alimenter divers équipements de la turbomachine. Le système de lubrification et la machine électrique sont alors autonomes. De plus, cette configuration est modulaire ce qui permet un démontage et un montage faciles par l’amont de la turbomachine.
Le module de soufflante comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- la machine électrique comprend un mécanisme de prise de mouvement reliant le rotor à l’arbre de soufflante, le mécanisme de prise de mouvement comprenant un arbre d’entraînement monté libre en rotation autour de l’axe de rotation A et sur lequel est monté le rotor, l’arbre d’entraînement étant couplé à une roue dentée destinée à engrener avec une couronne dentée solidaire de l’arbre de soufflante.
- l’arbre d’entrainement est guidé en rotation par un premier palier de rotor comprenant une première bague solidaire de l’arbre d’entraînement et une deuxième bague solidaire de l’élément fixe, le premier palier de rotor étant agencé en amont du rotor de la machine électrique.
- l’arbre d’entrainement est guidé en rotation par un deuxième palier de rotor comprenant une première bague solidaire de l’arbre d’entraînement et une deuxième bague solidaire de l’élément fixe, le deuxième palier de rotor étant agencé en aval du rotor de la machine électrique.
- la machine électrique est agencée en amont du réducteur de vitesse par rapport à l’axe longitudinal et au moins en partie dans l’enceinte de lubrification.
- la machine électrique est logée dans un boîtier formé dans le premier support de palier.
- l’élément fixe est un socle de la machine électrique montée sur le premier support de palier ou l’élément fixe est le premier support de palier.
- l’arbre d’entrainement est venu de matière avec la roue dentée.
- le stator de la machine électrique s’étend autour du rotor de la machine électrique.
- un câble électrique est relié à la machine électrique et au moteur électrique, le câble électrique circulant à l’extérieur de l’enceinte de lubrification.
- le réducteur de vitesse est de type à train planétaire, le réducteur de vitesse comprenant un solaire monté mobile autour d’un axe X et couplé à l’arbre de puissance, et une couronne centrée sur l’axe longitudinal couplée à l’arbre de soufflante, le réducteur comprenant en outre un porte-satellites qui est fixe et qui porte plusieurs satellites mobiles s’engrenant avec la couronne et le solaire.
- le réducteur de vitesse est de type à train épicycloïdal, le réducteur de vitesse comprenant un solaire monté mobile autour d’un axe X et couplé à l’arbre de puissance, une couronne fixe et un porte-satellites centré sur l’axe longitudinal qui est couplé à l’arbre de soufflante et qui porte plusieurs satellites mobiles s’engrenant avec la couronne et le solaire.
- la roue dentée et la couronne sont logées dans l’enceinte de lubrification.
- l’élément fixe comprend le boîtier de la machine électrique.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant un module de turbomachine présentant l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
L’invention concerne également un procédé d’assemblage d’un module de turbomachine tel que susmentionné et comprend les étapes suivantes :
- monter la couronne dentée sur l’arbre de soufflante,
- assembler la machine électrique en montant le rotor sur un arbre d’entraînement et le stator sur l’élément fixe supportant au moins en partie la machine électrique,
- fixer le socle de la machine électrique sur le premier support de palier de manière que le rotor et le stator soient agencés dans le boîtier du premier support de palier qui est ouvert dans l’enceinte de lubrification, et
- relier le câble électrique à la machine électrique et à la pompe auxiliaire qui est installée à l’extérieur de l’enceinte de lubrification.
Le procédé d’assemblage comprend les caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises seules ou en combinaison :
- l’élément fixe supportant au moins en partie la machine électrique comprend le socle de la machine électrique ou le premier support de palier,
- monter un premier support de palier de guidage de l’arbre de soufflante sur une structure fixe de la turbomachine.
- assembler la machine électrique en montant le stator sur le premier support de palier.
- réaliser un engrènement de la roue dentée couplée à l’arbre d’entraînement avec la couronne dentée.
- assembler le réducteur de vitesse.
- monter le réducteur de vitesse dans l’enceinte de lubrification de la turbomachine.
- relier un disque de soufflante à l’arbre de soufflante.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux figures suivantes annexées :
Description détaillée de l’invention
La figure 1 montre une vue en coupe axiale d’une turbomachine 1 d’axe longitudinal X à laquelle s’applique l’invention. La turbomachine représentée est une turbomachine double flux et double corps destinée à être montée sur un aéronef selon l’invention. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à ce type de turbomachine.
Dans la présente demande, les termes « amont », « aval », « axial » et « axialement » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine et également suivant l’axe longitudinal X (et même de gauche à droite sur la figure 1). Les termes « radial », « radialement », « interne » et « externe » sont également définis par rapport à un axe radial Z qui est perpendiculaire à l’axe X de la turbomachine.
Cette turbomachine 1 à double flux et double corps comprend une soufflante 2 qui est montée en amont d’un générateur de gaz ou moteur de turbine à gaz 3. La soufflante 2 comprend une pluralité d’aubes de soufflante 4 qui s’étendent radialement depuis la périphérie d’un disque 5 traversé par un arbre de soufflante 6. La soufflante 2 est entourée d’un carter de soufflante 7 lequel est porté par une nacelle 8 qui s’étend autour du générateur de gaz 3 et suivant l’axe longitudinal X.
Le générateur de gaz 3 comprend, d’amont en aval, un compresseur basse pression (BP) 9, un compresseur haute pression (HP) 10, une chambre de combustion 11, une turbine haute pression 12 et une turbine basse pression 13. Le compresseur HP 10 est relié à la turbine HP via un arbre HP 14 pour former un premier corps dit haute pression. Le compresseur BP est relié à la turbine BP via un arbre BP 15 pour former un deuxième corps dit basse pression. L’arbre BP 15 s’étend à l’intérieur de l’arbre HP 14.
Un flux d’air F qui entre dans la turbomachine via la soufflante 2 est divisé par un bec de séparation 16 de la turbomachine en un flux d’air primaire F1 qui traverse le générateur de gaz 3 et en particulier dans une veine primaire 17, et en un flux d’air secondaire F2 qui circule autour du générateur de gaz 3 dans une veine secondaire 18. La veine primaire 17 et la veine secondaire 18 sont coaxiales. Le flux d’air secondaire F2 est éjecté par une tuyère secondaire 19 terminant la nacelle 8 alors que le flux d’air primaire F1 est éjecté à l’extérieur de la turbomachine via une tuyère d’éjection 20 située en aval du générateur de gaz. Les flux d’air primaire et secondaire se rejoignent en sortie de leurs tuyères respectives.
En référence à la figure 2, l’arbre de soufflante 6 est relié à un arbre de puissance qui l’entraîne en rotation autour de l’axe longitudinal X via un mécanisme de transmission de puissance. Dans le présent exemple, l’arbre de puissance est l’arbre basse pression 15. Le mécanisme de transmission de puissance permet de réduire la vitesse de la soufflante 2 à une vitesse inférieure à celle de l’arbre basse pression 15. D’autre part, le mécanisme de transmission de puissance permet l’agencement d’une soufflante avec un diamètre important de manière à augmenter le taux de dilution. Le taux de dilution de la soufflante est avantageusement supérieur à 10. Préférentiellement, le taux de dilution est compris entre 15 et 20.
Le mécanisme de transmission de puissance comprend un réducteur 21 qui est ici un réducteur de vitesse à train planétaire. Bien entendu un réducteur de vitesse à train épicycloïdal est envisageable. Le réducteur est logé dans une enceinte de lubrification 22 agencée en amont du générateur de gaz 3. L’enceinte de lubrification 22 permet de lubrifier le réducteur de vitesse 21 ainsi que des paliers de guidage en rotation du réducteur de vitesse et de l’arbre de soufflante. En particulier, l’enceinte de lubrification 22 est agencée dans un carter interne 23 annulaire qui est prolongé en amont par un cône d’entrée 24 de forme aérodynamique.
Le carter interne 23 comprend une première virole annulaire 23a qui tourne autour de l’axe longitudinal X par rapport à une deuxième virole annulaire 23b du carter interne 23. La première virole 23a est montée sur le disque 5 de la soufflante. La deuxième virole annulaire 23b est reliée structurellement à un carter d’entrée 28 du carter interveine 25 par des premières aubes de stator 26 (connues sous l’acronyme IGV) qui s’étendent radialement dans le flux d’air primaire F1 et autour de l’axe longitudinal X. Le carter d’entrée 28 porte le bec de séparation 15 en amont. Le disque de soufflante 5 et la première virole 23a forment un ensemble rotor. Le carter d’entrée 28, les aubes de stator 26 et la deuxième virole 23b forment un ensemble stator. Des secondes aubes de stator 27 (connues sous l’acronyme OGV) relient structurellement le carter d’entrée 28 au carter de soufflante 7 qui s’entendent radialement dans le flux d’air secondaire et autour de l’axe longitudinal.
Sur la figure 2, le train d’engrenage du réducteur de vitesse 21 comprend typiquement un solaire (ou planétaire interne) 30, une pluralité de satellites 31, un porte-satellites 32, et une couronne (planétaire externe) 33. Dans le présent exemple avec un réducteur à train planétaire, le solaire 30 est centré sur l’axe longitudinal X et est couplé en rotation avec l’arbre BP 15 suivant l’axe longitudinal X via un arbre solaire 34. Ce dernier comprend des premiers éléments (non représentés) destinés à coopérer avec des seconds éléments d’accouplement (non représentés) complémentaires portés par l’arbre BP 15. Les satellites 31 sont portés par le porte-satellites 32 et sont chacun guidés en rotation autour d’un axe de satellite, ici, parallèle à l’axe longitudinal X. Chaque satellite 31 engrène avec des dentures externes du solaire 30 et des dentures internes de la couronne 33. Le porte-satellites 32 est bloqué en rotation et est solidaire d’un carter de stator de la turbomachine. La couronne 33, centrée sur l’axe longitudinal X, entoure le solaire 30 et est couplée en rotation avec l’arbre de soufflante 6. Le solaire 30 forme l’entrée du réducteur tandis que la couronne 33 forme la sortie du réducteur.
Dans le cas d’un train épicycloïdal, le porte-satellites 32 est couplé en rotation avec l’arbre de soufflante 6 et la couronne 33 est solidaire d’un carter de stator de la turbomachine. En d’autres termes, la couronne 33 est fixe en rotation. De la sorte, le solaire 30 forme l’entrée du réducteur de vitesse tandis que le porte-satellites 32 forme la sortie du réducteur de vitesse.
L’arbre de soufflante 6 est guidé en rotation par rapport à une structure fixe de la turbomachine à l’aide d’au moins un palier. Un premier palier 35 (ici à roulements) comprend une bague interne 36 montée sur l’arbre de soufflante 6, une bague externe 37 portée par un premier support de palier 38 annulaire et des organes roulants 39 entre les bagues interne et externe. Les organes roulants 39 du premier palier 35 sont avantageusement des billes. Le premier support de palier 38 annulaire est solidarisé à la structure fixe de la turbomachine. Le palier 35 est agencé en amont du réducteur de vitesse 21.
La turbomachine comprend également un autre palier de guidage (deuxième palier) 40 en rotation de l’arbre de soufflante 6 par rapport à la structure fixe de celle-ci. Ce deuxième palier 40 (ici à roulements à également) est disposé en amont du premier palier de guidage 35. Le palier de guidage 40 comprend une bague interne 41 montée sur l’arbre de soufflante 6 et une bague externe 42 montée sur un deuxième support 43 de palier. Des organes roulants 44 sont interposés entre les bagues interne et externe. Ces organes roulants 44 comprennent ici des rouleaux. Le deuxième support 43 de palier comprend une bride 46 sur laquelle est fixé le premier support de palier 38. La fixation est réalisée au moyen d’organes de fixation 45 tels que des vis et écrous ou autres organes permettant un montage et un démontage rapides.
En référence aux figures 3a et 3b, la turbomachine comprend un système de lubrification 50 de certains équipements et organes de la turbomachine agencés dans des enceintes de lubrification, tels que le réducteur de vitesse 21 et les paliers 35, 40, décrits ci-dessus. Le système de lubrification comprend un circuit principal 51 qui alimente au moins l’enceinte de lubrification 22, décrite ci-avant, en circuit fermé. Le circuit principal 51 comprend au moins un réservoir principal 52 d’alimentation en lubrifiant et une pompe principale 53 d’alimentation de ce lubrifiant destinée à permettre la circulation du lubrifiant du réservoir vers l’enceinte de lubrification 22. Le circuit principal 51 comprend également un échangeur thermique 54 qui est disposé en aval de la pompe principale 53 suivant le sens de circulation du lubrifiant dans la turbomachine. La pompe principale 53 est entraînée par une boîte d’accessoires ou relais d’accessoires 55 (connue sous la désignation anglaise d’« Accessory Gear Box » (signé AGB)). La pompe principale 53 est avantageusement montée sur la boîte d’accessoires 55 (soit à l’extérieur de l’enceinte de lubrification 22).
La boîte d’accessoires 55, illustré sur la figure 1, est logée dans la turbomachine dans une zone dénommée « zone core ». La « zone core » est située dans le carter interveine 25 (soit entre la veine primaire 17 et la veine secondaire 18). La boîte d’accessoires 55 est entraînée en rotation par l’arbre haute pression 14 via un arbre radial 56. De manière alternative (non représentée), la boîte d’accessoires 55 est logée dans la nacelle 8 et est entraînée par l’arbre radial 56 s’étendant alors dans un bras de carter qui relie le carter interveine 25 et la nacelle 8.
Sur les figures 3a, 3b, la pompe principale 53 communique avec une unité électronique de commande 58 qui est dédiée aux commandes de certains organes et/ou équipements de la turbomachine. Cette unité électronique de commande 58 peut être un calculateur EEC (qui signifie en anglais Electronic Engine Controller). Le calculateur est piloté par un système électronique de pleine autorité (connu sous l’acronyme FADEC pour « Full Authority Digital Engine Control » qui gère le bon fonctionnement de la turbomachine. Le calculateur 58 est également relié à des moyens de surveillance de paramètres de l’arbre haute pression 14 comme sa vitesse N1, N2 par exemple et des moyens de détection de la pression P du lubrifiant dans le circuit principal 51.
Le système de lubrification 50 (en référence aux figures 3a et 3b) comprend également un circuit auxiliaire 60 de lubrification qui est destiné à alimenter aussi l’enceinte de lubrification 22, en circuit fermé. Ce circuit auxiliaire 60 comprend une pompe auxiliaire 61 d’alimentation en lubrifiant qui est alimentée en énergie électrique. Cette pompe auxiliaire 61 est reliée d’une part, à un réservoir auxiliaire d’huile 62 et d’autre part, à l’enceinte de lubrification 22. La pompe auxiliaire 61 est disposée en amont de l’enceinte de lubrification 22 suivant le sens de circulation du lubrifiant dans le circuit auxiliaire. Le réservoir auxiliaire 62 est avantageusement une zone d’accumulation d’huile qui récupère l’huile. Celui-ci se trouve au fond de l’enceinte 22 (à six heures par analogie au cadran d’une horloge).
De manière générale, chaque enceinte de lubrification de la turbomachine comprend également une pompe de récupération 64 de lubrifiant qui renvoie le lubrifiant d’un réservoir de récupération (ou zone d’accumulation) vers le réservoir principal d’alimentation. La pompe auxiliaire 61 est électrique et est entrainée par un moteur électrique 63. De manière avantageuse, la pompe auxiliaire 61 et le moteur électrique 63 sont agencés à l’extérieur de l’enceinte de lubrification 22 de manière à désencombrer l’enceinte de lubrification et de les maintenir à distance de cet environnement contraint et baigné de lubrifiant.
La pompe principale 53 est amorcée (ou activée) dès que l’arbre haute pression 14 tourne à une vitesse de rotation N2 prédéterminée et/ou une pression P prédéterminée est atteinte dans le circuit principal 51 de sorte à permettre la circulation du lubrifiant depuis le réservoir principal 51 jusque dans l’enceinte de lubrification 22. Ce mode de fonctionnement s’opère après le démarrage de la turbomachine et en vol. La pompe auxiliaire 61 est inactive et le circuit auxiliaire 60 n’est pas alimenté en lubrifiant.
La turbomachine 1 comprend en outre une machine électrique 65 qui comprend un rotor et un stator de manière à bénéficier d’une puissance électrique supplémentaire, notamment pour alimenter le moteur électrique 63 de la pompe auxiliaire 61. La machine électrique 65 fonctionne avantageusement, mais non limitativement en tant que moteur, c’est-à-dire que celle-ci permet la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. A cet effet, la machine électrique 65 est couplée avec l’arbre de soufflante 6 qui lui fournit la puissance mécanique lors de sa rotation et qui sera convertie en puissance électrique. L’arbre de soufflante 6 est entraîné en rotation par l’arbre BP 15 dès que l’arbre HP 14 tourne ou lorsque le vent exerce son action sur les pales des aubes de soufflante. Autrement dit, cette puissance électrique supplémentaire sera disponible quel que soit le fonctionnement de la turbomachine, à savoir, en cas de Windmilling (autorotation de la soufflante au sol ou à l’arrêt), pendant le vol, en phase d’atterrissage et de démarrage. Le système de lubrification du réducteur dans l’enceinte de lubrification 22 (où se trouve le réducteur de vitesse) est ainsi autonome.
Bien entendu, la machine électrique 65 pourrait fonctionner en mode générateur de manière à convertir de l’énergie électrique en énergie mécanique.
La machine électrique 65 est reliée électriquement à un boîtier de relais électriques 48 qui est configuré de manière à autoriser ou non l’alimentation électrique du moteur électrique 63 de la pompe auxiliaire 61. Ces relais électriques 48 sont eux-mêmes reliés électriquement au calculateur 58. Ces relais électriques coopèrent avec au moins un interrupteur (ou clapet) 49 configurés pour occuper une position ouverte ou une position fermée.
La figure 3a représente la turbomachine éteinte. Dans ce cas, nous considérons que le calculateur 58 est inactif. Par défaut le boîtier de relais est fermé et l’interrupteur 49 est en position fermée. La rotation de l’arbre de soufflante permet à la machine électrique 65 de générer une puissance électrique qui alimente alors le moteur électrique 63 de la pompe auxiliaire 61. De même, la pompe principale est « désamorcée » et la circulation de l’huile dans le circuit principal 51 est interrompue. Cela est permis grâce à un clapet 59 qui est installé au moins entre la pompe auxiliaire 61 et l’enceinte 22. Le clapet est également situé entre les deux circuits et l’enceinte. En particulier, le clapet 59 permet d’avoir deux orifices d’entrée et un orifice de sortie. Un premier orifice d’entrée est relié au circuit auxiliaire 60 et un deuxième orifice d’entrée est relié au circuit principal 51. Le clapet 59 comprend en outre un élément d’obturation, tel qu’une bille, destiné à obturer un des orifices d’entrée en fonction de la pression dans les circuits. En activant la pompe auxiliaire 61, l’huile est pompée dans le réservoir auxiliaire 62 et en particulier depuis le fond de celui-ci. La pression augmente dans le circuit auxiliaire 60 jusqu’à atteindre une pression qui va entraîner l’obturation de l’entrée du circuit principal 51 et empêcher le lubrifiant de circuler dans ce dernier vers l’enceinte 22. Le lubrifiant circule dans le circuit auxiliaire et vers l’enceinte 22.
En référence à la figure 3b, la turbomachine est allumée. Dans ce cas le calculateur 58 est actif et peut piloter le boîtier de relais 48. L’interrupteur 49 se trouve en position ouverte. Lorsque le calculateur 58 reçoit une information signalant que l’arbre haute pression tourne à une vitesse au moins égale à la vitesse N1 ou N2 prédéterminée et/ou que la pression dans le circuit atteint la pression P prédéterminée dans le circuit principal, le calculateur 58 désactive le boîtier de relais 48 (un ordre de commande est envoyé au boîtier de relais 48). De la sorte le circuit principal est opérationnel. l’huile est pompée depuis le réservoir auxiliaire (en passant par le réservoir principal entre autres) et depuis une sortie qui est reliée au circuit principal. Cette sortie d’huile reliée au circuit principal se trouve radialement à l’intérieur de la sortie d’huile reliée au circuit auxiliaire. La pression augmentant dans le circuit principal entraîne l’obturation de l’entrée du circuit auxiliaire 60 ce qui empêche au lubrifiant de circuler vers l’enceinte 22. Le lubrifiant circule dans le circuit principal 51 et vers l’enceinte 22. Il n’y a pas de courant électrique produit. La machine électrique ne transmet pas de puissance électrique à la pompe auxiliaire (Il n’y a pas d’intensité).
En référence à la figure 4, la machine électrique 65 est portée par le support de palier 38 qui se trouve en amont du réducteur de vitesse 21. En d’autres termes, la machine électrique 65 est agencée dans l’enceinte de lubrification 22 de manière à ce que celle-ci puisse être refroidie par le lubrifiant. La température maximum qui règne dans l’enceinte de lubrification 22 est de l’ordre de 150°C, ce qui est tout à fait acceptable pour la machine électrique 65. La température des composants de la machine électrique 65 (conducteurs électriques, isolants électriques, circuit magnétique, capteurs de température, excitatrice) ne doit généralement pas excédée cette valeur. De plus, celle-ci dégage de fortes puissances qui sont directement évacuées dans le fluide de lubrification. L’enceinte de lubrification 22 (représentée en partie en trait pointillé sur la figure 2) est délimitée au moins en partie par les premier et deuxième supports de palier 38, 43 et une portion du carter interne 23. Une partie de l’arbre de soufflante 6 peut également délimiter l’enceinte de lubrification en fonction de la configuration. Avantageusement, le lubrifiant qui occupe l’enceinte de lubrification 22 est de l’huile sous forme de brouillard. Dans cette enceinte de lubrification, la connexion entre la machine électrique 65 et l’arbre de soufflante 6 est facilitée. Par ailleurs, la machine électrique 65 est également agencée en amont du réducteur de vitesse 21 où de l’espace est disponible pour son installation.
Le support de palier 38 comprend une première portion 66 sensiblement cylindrique sur laquelle est solidarisée la bague externe 37 du palier de guidage 35 en rotation de l’arbre de soufflante 6. Le support de palier 38 comprend une deuxième portion 67 sensiblement tronconique qui est reliée d’une part, à la première portion 66, et d’autre part à la structure fixe 68 de la turbomachine. La première portion 66 s’étend radialement à l’intérieur de la deuxième portion 67. La première portion 66 et la deuxième portion 67 sont venues de matière.
En référence aux figures 4 à 7, le support de palier 38 comprend un boîtier 69 qui est destiné à loger ou porter au moins une partie de la machine électrique 65. En particulier, la deuxième portion 67 comprend un renfoncement 47 avec un fond 70 (cf. figure 6) qui est prévu du côté amont du support de palier 38. Le fond 70 est défini dans un plan qui est perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X. Le fond 70 est prolongé en aval par une jupe 71 sensiblement cylindrique d’axe parallèle à l’axe longitudinal. La jupe 71 délimite une cavité 72 traversante qui débouche au niveau du fond 70 (en amont de la deuxième portion 67) du renfoncement 47. En d’autres termes, le fond 70 comprend une première ouverture d’axe parallèle à l’axe longitudinale et l’extrémité libre 73 de la jupe 71 délimite une deuxième ouverture par laquelle débouche en aval la cavité 72 également.
Le rotor 74 est relié (indirectement) à l’arbre de soufflante 6 de manière à être entrainé en rotation autour d’un axe de rotation A parallèle à l’axe longitudinal X par rapport au stator 75 qui est monté sur un élément fixe. La liaison du rotor 74 et de l’arbre de soufflante 6 est réalisée par un mécanisme de prise de mouvement 76 qui permet la transmission du mouvement de l’arbre de soufflante 6 à la machine électrique 65. La machine électrique 65 comprend également un socle (ou support) 77 qui supporte au moins le rotor 74, le stator 75 ou le mécanisme de prise de mouvement 76.
Comme nous pouvons le voir sur la figure 4, le socle 77 comprend une semelle 78 depuis laquelle s’étend une paroi annulaire 79 sensiblement cylindrique. La paroi annulaire 79 s’étend axialement à l’intérieur de la jupe 71 du support de palier 38 (ou du boîtier 69). Le socle 77 est fixé sur le fond 70 du boîtier 69, du côté amont du support de palier 38, à l’aide d’organes de fixation. Ces derniers sont du type vis, écrou, ou tout élément permettant un démontage et/ou un montage rapide(s) sans endommager la machine électrique 65. Avantageusement, le stator 75 est disposé sur une face radialement interne de la paroi annulaire 79. Le fond 70, la jupe 71 et le socle 77 forment le boîtier 69 de la machine électrique 65.
Le mécanisme de prise de mouvement 76 de la machine électrique 65 comprend un arbre d’entraînement 80 d’axe de rotation A (parallèle à l’axe longitudinal X et coaxial à l’axe du rotor) qui est entraîné en rotation par l’arbre de soufflante 6. L’arbre d’entraînement 80 est porté par un doigt 81 central qui est solidaire de la semelle 78 et qui est coaxial avec l’axe de rotation A de l’arbre d’entraînement. L’arbre d’entraînement 80 est creux et le doigt 81 s’étend à l’intérieur de celui-ci. Des paliers de guidage, désignés premier palier de rotor 82 et deuxième palier de rotor 83 permettent le guidage de l’arbre d’entrainement 80 par rapport au socle 77 (et plus particulièrement le doigt 81). L’arbre d’entraînement 80 est monté libre en rotation autour de l’axe de rotation A.
Le mécanisme de prise de mouvement 76 comprend une roue dentée 84 qui est couplée à une de ses extrémités à l’arbre d’entraînement 80. La roue dentée 84 est coaxiale avec l’axe de rotation A de l’arbre d’entraînement 80. La roue dentée 84 est disposée en aval de l’extrémité libre 73 de la jupe 71 du boîtier et aussi de celle de la paroi annulaire 79. La roue dentée 84 est destinée à engrener avec une couronne dentée 85 qui est solidaire en rotation de l’arbre de soufflante 6.
L’arbre de soufflante 6 comprend pour cela un élément en saillie 86 qui s’étend axialement depuis la paroi de l’arbre de soufflante 6 et sur lequel est fixée la couronne dentée 85. En particulier, la couronne dentée 85 est frettée sur l’arbre de soufflante 6 et un pion axial (non représenté) permet un maintien en position. Dans une configuration alternative (non représentée), la couronne dentée est venue de matière (réalisée d’un seul tenant) avec l’arbre de soufflante 6. La couronne dentée 85 est coaxiale avec l’arbre de soufflante 6 (soit l’axe longitudinal X).
Dans cet exemple de réalisation, l’arbre d’entrainement 80 est venu de matière avec la roue dentée 84. Le rotor 74 est monté sur l’arbre d’entraînement 80 de sorte que lorsque l’arbre de soufflante 6 tourne, le rotor 74 tourne également par rapport au stator 75. Le stator 75 de la machine électrique 65 s’étend ici autour du rotor 74 de la machine électrique 65.
Le premier palier de rotor 82 est agencé en amont du rotor 74 tandis que le deuxième palier de rotor 83 est agencé en aval du rotor 74. Chaque premier et deuxième paliers de rotor 82, 83 comprend respectivement une première bague solidaire de l’arbre d’entraînement 80 et une deuxième bague solidaire d’un élément fixe. Dans le cas de la figure 4, la première bague est la bague externe 87 et la deuxième bague est la bague interne 88 qui est fixée au socle 77 (en particulier au doigt 81) de la machine électrique 65. Le premier palier et le deuxième palier de rotor 82, 83 sont des paliers à roulements. Les premier et deuxième paliers présentent également le même diamètre. De manière alternative, les diamètres peuvent être différents. Les organes roulants des premier et deuxième paliers comprennent respectivement des billes ou des rouleaux.
La figure 5 illustre un autre mode de réalisation de la machine électrique 65. Les références numériques sont conservées pour les éléments identiques ou sensiblement identiques et/ou ayant la même fonction. Dans cet exemple de réalisation, le stator 75 est monté sur le support de palier 38 et le rotor 74 est monté sur l’arbre d’entraînement 80 de la machine électrique. L’arbre d’entrainement 80 tourne librement autour de l’axe de rotation A et par rapport au socle 77 de la machine électrique 65 au moyen d’au moins d’un palier de guidage en rotation. L’axe de rotation A est sensiblement parallèle à l’axe longitudinal X. Son extrémité proximale 90 est guidée en rotation par le premier palier de rotor 82 dans un logement de réception 92 du socle 77 et son extrémité distale 91 est couplée à la roue dentée 84.
En particulier, dans ce mode de réalisation, l’arbre d’entraînement 80 comprend une première portion 93 et une deuxième portion 94 qui sont solidaires en rotation. La première portion 93 porte l’extrémité proximale 90 et la deuxième portion 94 porte l’extrémité distale 91. La première portion 93 comprend (vers son extrémité libre 97) des cannelures 95 sur sa surface radialement externe et qui s’engagent avec des cannelures correspondantes formées sur la surface radialement interne de la deuxième portion 94. De la sorte, la première portion 93 et la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80 sont solidaires en rotation. Le logement de réception 92 est délimité par une cloison annulaire 96 d’axe coaxial avec l’axe de rotation A de l’arbre d’entraînement 80 et qui est solidaire de la semelle 78. La cloison annulaire 96 s’élève depuis une surface interne de la semelle 78.
Le premier palier de rotor 82, disposé en amont du rotor 74, comprend une première bague (ici, la bague interne 88) solidaire de l’arbre d’entraînement 80 et une deuxième bague (ici la bague externe 87) solidaire de la paroi de la cloison annulaire 96. L’extrémité libre 97 de la première portion 93 s’étend à l’intérieur de la deuxième portion 94. Le deuxième palier de rotor 83 est agencé, axialement en aval du rotor 74, et radialement entre le support de palier 38 et la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80. La première bague (ici, la bague interne 88) du deuxième palier de rotor 83 est solidaire de l’arbre d’entraînement 80 et la deuxième bague (ici la bague externe 87) est solidaire du support de palier 38. En particulier, le stator 75 est monté sur la jupe 71 annulaire du boîtier du support de palier. L’extrémité libre de la jupe 71 comprend un col 98 annulaire qui porte la bague externe 87 du deuxième palier de rotor 83. Dans cet exemple de réalisation, le deuxième palier de rotor 83 présente un diamètre supérieur à celui du premier palier de rotor 82.
Comme nous pouvons le voir également sur la figure 5, la roue dentée 84 est couplée à la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80. Comme pour le premier mode de réalisation, la roue dentée 84 engrène avec la couronne dentée 85 fixée sur l’élément en saillie 86 de l’arbre de soufflante 6 (ou qui est réalisée d’un seul tenant avec l’arbre de soufflante 6). La roue dentée 84 est disposée axialement entre la bague interne 88 du deuxième palier de rotor 83 et un élément de fixation 99 (ici un écrou) pour maintenir celle-ci sur la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80.
En référence à la figure 6, la machine électrique 65 comprend au moins un câble électrique 100 destiné à transmettre la puissance électrique à la pompe auxiliaire 61. Le câble électrique 100 s’étend à l’extérieur de l’enceinte de lubrification 22 ce qui évite que celui-ci soit en contact avec un environnement baigné d’huile. Le câble électrique 100 est relié (directement ou indirectement) avantageusement au stator 75 et traverse un orifice 101 (représenté sur la figure 5) de la semelle 78 du support 77 de la machine électrique 65. L’orifice 101 présente un axe B parallèle à l’axe longitudinal X. D’autre part, le câble 100 est connecté au moteur électrique 65.
La machine électrique 65 est configurée de manière à faciliter son montage et son démontage. Lors du montage ou assemblage du module de la turbomachine, et en particulier du module de soufflante, le réducteur 21 de vitesse est d’abord assemblé avec ses différents composants en glissant celui-ci de l’amont vers l’aval pour que le solaire 30 soit couplé à l’arbre basse pression 15. L’arbre de soufflante 6 est fixé à des brides radiales 102 (représentées sur la figure 2) de la couronne 33 à l’aide d’organes de fixation 103 (représentées sur la figure 2). Ces organes de fixation peuvent comprendre des vis, écrous, boulon, goujon ou autres éléments adéquats pour faciliter le démontage et/ou le montage. Le palier 35 (avec ses bagues interne et externe) est monté sur l’arbre de soufflante 6. Le palier 40 (avec ses bagues interne et externe) est également monté sur l’arbre de soufflante 6 (avantageusement après le montage du palier 35). Préalablement, le palier 35 est monté sur le premier support de palier 38. Ce dernier est ensuite fixé sur une structure fixe de la turbomachine. Le palier 35 est ensuite serré sur l’arbre de soufflante 6 à l’aide d’un écrou par exemple. Le premier et le deuxième supports de paliers 38, 43 sont fixés ensemble. De même, le palier 40 est monté sur le deuxième support 43 de palier avant que celui-ci soit fixé sur le premier support 38 de palier.
La machine électrique 65 (avec son rotor 74, stator 75, arbre d’entrainement 80 et palier 82, 83, etc.) est assemblée puis agencée dans le boîtier 69 (réalisé dans le support de palier 38). Plus précisément, le rotor 74 est monté sur l’arbre d’entraînement 80 du socle 77. Le stator 75 est monté sur l’élément fixe supportant au moins en partie la machine électrique, soit sur le socle 77 du boîtier de la machine électrique 65 (plus précisément la paroi annulaire 79) (mode de réalisation des figures 2 et 4), soit sur une paroi du boîtier de la machine électrique (plus précisément la jupe cylindrique 71 du premier support 38 de palier) (mode de réalisation de la figure 5).
La couronne dentée 85 est avantageusement fixée sur l’arbre de soufflante 6 avant que la machine électrique 65 avec la roue dentée 84 ne soit insérée dans le boîtier 69. Le socle 77 est ensuite fixé sur le premier support 38 de manière que le rotor 74 et le stator 75 soient agencés dans le boîtier 69 du premier support 38 de palier qui est ouvert dans l’enceinte de lubrification 22. De la sorte, lorsque celle-ci est engagée dans le boîtier 69, la roue dentée 84 (portée par l’arbre d’entraînement 80) engrène avec la couronne dentée 85. La semelle 78 du socle 77 est vissée ici sur le fond 70 du boîtier 69.
Le démontage est réalisé en effectuant les étapes de manière inversée.
Le câble électrique 100 est relié à la machine électrique 65 et à la pompe auxiliaire 61.
Le disque 5 est ensuite inséré depuis l’amont du carter interne pour le coupler à l’arbre de soufflante 6. Le cône d’entrée 24 est enfin monté sur le carter interne pour fermer le module de soufflante.
Dans le cadre du mode de réalisation de la figure 5, au moins une partie du mécanisme de prise de mouvement 76 est installée sur l’arbre de soufflante 6 après l’installation de l’arbre de soufflante 6. En particulier, la couronne dentée 85 est montée sur l’arbre de soufflante 6 et est fixée à ce dernier. La couronne dentée 85 peut être réalisée d’un seul tenant avec l’arbre de soufflante 6 tel que décrit précédemment. La roue dentée 84 (préalablement fixée sur la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80) est disposée de manière à engrener avec la couronne dentée 85. Le deuxième palier de rotor 83 (avec ses bagues interne et externe) est également solidarisé à la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80. Les premier et deuxième supports de palier 38, 43 sont montés dans la turbomachine avec leurs paliers 35, 40 respectifs. La machine électrique 65 est assemblée et agencée dans le boîtier 69 de la machine électrique 65. En particulier, le rotor 74 est monté sur l’arbre d’entraînement 80 du socle 77 et le stator 75 est monté sur le boîtier de la machine électrique (plus précisément, sur la jupe cylindrique 71 du premier le support 38 de palier). Ensuite, la première portion 93 de l’arbre d’entraînement 80 avec le rotor 74 et le premier palier de rotor 82 (bague interne et bague externe) qui sont montés sur celle-ci est insérée dans le boîtier du support de palier de l’amont vers l’aval. Lors de cette insertion, les cannelures de la première portion 93 de l’arbre d’entrainement 80 s’engagent par coulissement dans les cannelures correspondantes de la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80. La semelle 78 du support 7 est ensuite vissée sur le fond 70 du boîtier.
Lors du démontage du mécanisme de prise de mouvement 76, suivant ce mode de réalisation de la figure 5, la couronne dentée 85, la roue dentée 84, le palier 83 (avec ses bagues interne et externe), l’écrou 99 et la deuxième portion 94 de l’arbre d’entraînement 80 restent à demeure sur l’arbre de soufflante 6. En déconnectant la première portion 93 de l’arbre de soufflante 6 de la deuxième portion 94 grâce aux cannelures, la semelle 78, le palier 82 (avec ses bagues interne et externe) et le rotor 74 sont démontés simultanément. Le stator 75 peut ensuite être enlevé également. Les supports de palier 38, 43 sont ensuite démontés, ainsi que l’arbre de soufflante 6.
Claims (12)
- Module de turbomachine comprenant :
- un arbre de soufflante (6) guidé en rotation autour d’un axe longitudinal X par au moins un premier palier de guidage (35) monté sur un premier support (38) de palier qui est fixé à une structure fixe (68) de la turbomachine,
- un arbre de puissance (15) entraînant en rotation l’arbre de soufflante (6) par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse (21) agencé dans une enceinte de lubrification (22) de la turbomachine, et
- un système de lubrification (50) d’au moins du réducteur de vitesse (21) comportant un circuit principal (51), fermé, destiné à alimenter l’enceinte de lubrification (22), et un circuit auxiliaire (60), fermé, destiné à alimenter l’enceinte de lubrification lorsque le circuit principal est inactif, le circuit auxiliaire (60) comprenant au moins une pompe auxiliaire (61) d’alimentation entraînée par un moteur électrique (63),
- Module selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la machine électrique (65) comprend un mécanisme de prise de mouvement (76) reliant le rotor (74) à l’arbre de soufflante (6), le mécanisme de prise de mouvement (76) comprenant un arbre d’entraînement (80) monté libre en rotation autour de l’axe de rotation A et sur lequel est monté le rotor (74), l’arbre d’entraînement (80) étant couplé à une roue dentée (84) destinée à engrener avec une couronne dentée (85) solidaire de l’arbre de soufflante (6).
- Module selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’arbre d’entrainement (80) est guidé en rotation par un premier palier de rotor (82) comprenant une première bague solidaire de l’arbre d’entraînement (80) et une deuxième bague solidaire de l’élément fixe (38, 69, 77), le premier palier de rotor (82) étant agencé en amont du rotor de la machine électrique (65).
- Module selon l’une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l’arbre d’entrainement (80) est guidé en rotation par un deuxième palier de rotor (83) comprenant une première bague solidaire de l’arbre d’entraînement (80) et une deuxième bague solidaire de l’élément fixe (38, 69, 77), le deuxième palier de rotor (83) étant agencé en aval du rotor (74) de la machine électrique (65).
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la machine électrique (65) est agencée en amont du réducteur de vitesse (21) par rapport à l’axe longitudinal X et au moins en partie dans l’enceinte de lubrification (22).
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la machine électrique (65) est logée dans un boîtier (69) formé dans le premier support (38) de palier.
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément fixe (38, 69, 77) est un socle (77) de la machine électrique (65) montée sur le premier support (38) de palier ou l’élément fixe (38, 69, 77) est le premier support (38) de palier.
- Module selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l’arbre d’entrainement (80) est venu de matière avec la roue dentée (84).
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator (75) de la machine électrique (65) s’étend autour du rotor (74) de la machine électrique (65).
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un câble électrique (100) est relié à la machine électrique (65) et au moteur électrique (63), le câble électrique (100) circulant à l’extérieur de l’enceinte de lubrification (22).
- Turbomachine (1) d’aéronef comprenant un module de turbomachine selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- Procédé d’assemblage d’un module de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
- monter la couronne dentée (85) sur l’arbre de soufflante (6),
- assembler la machine électrique (65) en montant le rotor (74) sur l’arbre d’entraînement (80) et le stator (75) sur l’élément fixe (38, 77) supportant au moins en partie,
- fixer le socle de la machine électrique (65) sur le premier support (38) de palier de manière que le rotor et le stator soient agencés dans le boîtier du premier support (38) de palier qui est ouvert dans l’enceinte de lubrification (22), et
- relier le câble électrique (100) à la machine électrique (65) et à la pompe auxiliaire (61) qui est installée à l’extérieur de l’enceinte de lubrification (22).
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