FR3114845A1

FR3114845A1 - Systeme de désaération d’huile

Info

Publication number: FR3114845A1
Application number: FR2010154A
Authority: FR
Inventors: Akshay LOYAL; Nora LAMHARESS
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Sorbonne Universite
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2040-10-05
Also published as: FR3114845B1

Abstract

TITRE : SYSTEME DE DÉSAÉRATION D’HUILE L’invention concerne un système de désaération d’huile d’une turbomachine (1), en particulier d’aéronef caractérisé en ce que le système comprend, un dispositif de désaération d’huile (22) comprenant au moins un transducteur (24) destiné à émettre des ultrasons, ledit au moins un transducteur (24) étant fixé sur une face externe d’une paroi d’un contenant (16, 26) destiné à recevoir ou à permettre la mise en circulation d‘une huile (10), ledit au moins un transducteur (24) étant fixé de manière à propager des ondes ultrasonores dans l’huile (10) en circulation. Figure pour l’abrégé : Figure 3

Description

SYSTEME DE DÉSAÉRATION D’HUILE

Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine de la désaération de l’huile de lubrification de turbomachine d’aéronefs.

Arrière-plan technique

De manière générale, les turbomachines comprennent plusieurs organes et/ou pièces qui tournent les uns par rapport aux autres à l’aide par exemple de paliers, de roues dentées, etc. Ces organes nécessitent d’être lubrifiés et refroidis pour le bon fonctionnement de la turbomachine. Typiquement le lubrifiant est de l’huile qui circule dans un circuit de lubrification et qui est projetée sur les organes dans une enceinte où l’huile sera sous forme de brouillard.

De par le fonctionnement des moteurs d’aéronefs, il y a classiquement des gaz, et en particulier de l’oxygène, qui se dissolvent dans l’huile des circuits de lubrification. Ces gaz dissouts sont dangereux pour le moteur car selon les conditions de température et de pression, ils peuvent évoluer en bulle de gaz ailleurs dans le circuit de lubrification et ainsi endommager certaines pièces comme les pompes. En particulier l’oxygène, qui présente en plus le problème d’induire directement l’oxydation de l’huile et contribue ainsi de manière significative à son vieillissement, induisant la nécessité de vidanges régulières. L’oxydation de l’huile est, en effet, directement liée à la quantité d’oxygène dans l’huile. La désaération de l’huile de lubrification est donc très importante car :

- d’une part la présence de bulles de gaz dans l’huile peut user les pompes prématurément par phénomène de cavitation, et

- d’autre part, la présence d’air (donc d’oxygène) dans l’huile peut accélérer le vieillissement oxydant de l’huile.

De manière classique et connue en soi, les actuels systèmes de désaération d’huile du circuit de lubrification des turbomachines d’aéronefs ne présentent pas une efficacité de 100%. Actuellement, on utilise des désaérateurs dits mécaniques, qui utilisent la force centrifuge pour séparer l’huile de l’air. La désaération de l’huile de lubrification repose donc uniquement sur la différence de masse entre l’huile et l’air (effet centrifuge). On en trouve de nombreux exemples, comme par exemple dans les documents FR 2 687 329 B1 ou FR2 903 757 B1. Cette technologie est toutefois moins efficace quand il s’agit des bulles de gaz très petites et même inefficace quand les gaz sont dissouts dans l’huile.

Il est par ailleurs connu, dans d’autres contextes, l’utilisation d’ondes ultrasonores se propageant dans un milieu liquide en générant une alternance locale de haute-pression (compression) / basse pression (raréfaction). Ceci permet de créer, par cavitation, des bulles de gaz du liquide considéré. On se retrouve donc avec un mélange diphasique : une phase liquide et une phase gazeuse (les bulles du liquide en phase gazeuse). Lorsque des gaz (de l’oxygène en particulier) sont dissouts dans le liquide de ce mélange diphasique, ils peuvent diffuser au sein de ces bulles de gaz du liquide. Cette diffusion est d’autant plus importante que ces bulles de gaz du liquide sont petites et nombreuses (un rapport surface/volume important favorise les échanges par diffusion d’une phase à l’autre). Les ondes ultrasonores qui continuent de se propager dans le liquide favorisent ensuite la coalescence de ces petites bulles créées par cavitation, créant ainsi de plus grosses bulles qui vont donc finir par remonter à la surface du liquide par la poussée d’Archimède.

L’idée de la présente invention est d’augmenter l’efficacité de la désaération et donc d’augmenter la durée de vie des pompes par exemple et par ailleurs de minimiser l’oxydation de l’huile, par exemple en associant cette technologie ultrason au dispositif de désaération par centrifugation actuellement utilisé.

L’objectif de la présente invention est de fournir une solution permettant d’améliorer l’efficacité des systèmes actuels de désaération d’huile de lubrification des moteurs d’aéronefs et réduire la quantité d’air (et donc d’oxygène) dans l’huile, tout en évitant l’encombrement de l’environnement du système et la pénalisation de la masse.

Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à un système de désaération d’huile d’une turbomachine, en particulier d’aéronef comprenant un dispositif de désaération d’huile comprenant au moins un transducteur destiné à émettre des ultrasons, ledit au moins un transducteur étant fixé sur une face externe d’une paroi d’un contenant destiné à recevoir ou à permettre la mise en circulation d‘une huile, ledit au moins un transducteur étant fixé de manière à propager des ondes ultrasonores dans l’huile en circulation.

Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, les ondes ultrasonores permettent de dégazer l’huile et de faciliter la séparation huile/gaz dans le désaérateur mécanique. Ceci a notamment pour effet de ralentir la cinétique d’oxydation de l’huile puisque celle-ci est directement liée à la quantité d’oxygène dans l’huile. Cette invention permet ainsi d’améliorer les performances du système huile de la turbomachine en termes de durée de vie des pompes et durée de vie de l’huile (atténuation du phénomène d’oxydation).

Le système selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres :

le dispositif de désaération d’huile est agencé en amont du désaérateur mécanique suivant la circulation de l’huile,
l’au moins un transducteur est un transducteur piézoélectrique,
une sonotrode en plus de l’au moins un transducteur,
le contenant est un réservoir ou un conduit de circuit de mise en circulation de l’huile.

L’invention concerne par ailleurs un module de turbomachine d’axe longitudinal X, comprenant :

deux circuits de mise en circulation de l’huile de lubrification,
un système de désaération d’huile selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes,
un élément destiné à être lubrifié par l’huile mise en circulation,
un dispositif électronique de commande.

L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comportant un système de désaération selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes.

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 dessins schématiques annexés dans lesquels :

La figure 1 présente un schéma de la circulation d’huile au sein d’une turbomachine,

La figure 2 présente une vue en perspective d’un transducteur,

La figure 3 présente un schéma fonctionnel d’un dispositif de désaération selon un premier mode de réalisation de l’invention,

La figure 4 présente une vue en coupe longitudinale schématique de l’invention selon le mode de réalisation de la figure 3,

La figure 5 présente une vue de face schématique de l’invention selon le mode de réalisation de la figure 3,

la figure 6 présente une vue du dessus schématique de l’invention selon le mode de réalisation de la figure 3,

La figure 7a présente un schéma de la circulation d’huile au sein d’une turbomachine comportant un transducteur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,

La figure 7b présente un schéma de la circulation d’huile au sein d’une turbomachine comportant un transducteur selon un troisième mode de réalisation de l’invention,

La figure 8 présente deux vues schématiques du deuxième et d’un quatrième mode de réalisation,

la figure 9 présente une vue en coupe longitudinale schématique d’un cinquième mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée de l’invention

Comme on peut le voir sur la figure 1, au sein d’une turbomachine 1 classique s’étendant le long d’un axe X, un débit d’huile de lubrification 10 est mis en circulation au moyen de pompes 12, 14 dans deux circuits de mise en circulation C1, C2 complémentaires : un premier circuit C1 dit d’alimentation et un deuxième circuit C2 dit de récupération. Les deux circuits de mise en circulation C1, C2 sont reliés entre eux par un réservoir 16. Le réservoir 16 et les deux circuits de mise en circulation C1, C2 de l’huile 10 forment des contenants de ladite huile 10. Le circuit d’alimentation C1 comporte une pompe de mise en circulation 12 de l’huile. Le circuit de récupération C2 comporte des pompes de récupération 14. L’huile 10 est ainsi mise en circulation dans la turbomachine 1, à travers le réservoir 16, via les deux circuits C1 et C2.

Classiquement, une turbomachine 1 comporte au-moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine. Ces organes comportent chacun divers roulements, engrenages et paliers 18. L’huile 10 est stockée dans le réservoir 16. Elle est envoyée, depuis le réservoir 16, par la pompe de mise en circulation 12, via le circuit C1, sur les divers roulements, engrenages et paliers 18 de la turbomachine 1. L’huile 10 est envoyée sur ces éléments 18 afin de les lubrifier et de les refroidir. L’huile 10 ainsi injectée sur les différents éléments 18 est ensuite récupérée en fond d’enceinte par les pompes de récupération 14 (une par enceinte), et renvoyée, via le circuit C2, vers le réservoir 16. Pour assurer un assèchement complet de l’enceinte, une petite quantité d’air est également aspirée par les pompes 14 du circuit C2. Le mélange air/huile aspiré par les pompes de récupération 14 doit être séparé avant que l’huile 10 ne retourne dans le réservoir 16. Le réservoir 16 n’accueille ainsi que de l’huile 10 dite purifiée, c’est-à-dire exempt d’air et donc d’oxygène. Par exemple inférieur à 5% d’oxygène.

Le circuit C2 de récupération d’huile 10 comporte ainsi, en amont du réservoir 16, un système de désaération d’huile 10. Le système de désaération comporte :

- un désaérateur mécanique 20 de type par centrifugation,

- un dispositif de désaération 22 représenté par exemple sur la figure 3, comprenant au moins un transducteur 24 destiné à émettre des ultrasons.

Les désaérateurs mécaniques 20 sont connus de l’état de la technique. Les figures 1 et 4 en illustrent un placé dans le réservoir 16, mais selon les modèles, le désaérateur mécanique 20 peut être situé en amont du réservoir 16. Classiquement, un désaérateur mécanique fonctionne par la mise en rotation du mélange air/huile pour séparer par centrifugation, l’huile 10 plus lourde que l’air. L’huile 10 va sur la paroi du désaérateur cylindrique et est évacuée par un orifice dans le fond du désaérateur. L’air reste au centre et est évacué par le milieu du haut du désaérateur.

L’au moins un transducteur 24 du dispositif de désaération 22 est fixé sur une face externe d’une paroi de l’un des contenants d’huile 10 de la turbomachine 1. Le contenant en question peut être le réservoir 16 (comme illustré en figure 7a) et/ou un conduit 26 du circuit de récupération C2 (comme illustré sur la figure 7b). Ledit au moins un transducteur 24 est fixé de manière à propager des ondes ultrasonores dans l’huile 10 en circulation.

Le fonctionnement d’un transducteur 24 est illustré plus précisément en figure 4.

On entend par transducteur tout dispositif convertissant un signal physique en un autre, par exemple une impulsion électrique en vibration mécanique. Ainsi chaque transducteur 24 est piloté par un dispositif électronique de commande (non représenté). Pour émettre des ultrasons, une solution consiste à utiliser des transducteurs 24 de type piézoélectrique. Ces transducteurs piézoélectriques doivent être alimentés par une tension alternative de même fréquence que celle des ultrasons à produire. On peut voir un exemple de transducteur 24 illustré en figure 2. Cette tension est produite, par exemple, à partir d’un générateur haute fréquence 30 relié à un IDG 32 (Integrated Drive Generator) ou une source d’alimentation auxiliaire (voir figure 3). Dans l’exemple de la figure 3, le générateur haute fréquence 30 et l’IDG 32 forment le dispositif électronique de commande du transducteur 24.

D’autres types de transducteurs existent et peuvent être utilisés, par exemple les transducteurs magnétostrictifs à base de matériaux ferromagnétiques qui se déforment sous l’oscillation d’un champ magnétique résultant du passage d’un courant alternatif à travers une bobine.

Chaque transducteur 24 (dans l’exemple de la figure 3 ils sont au nombre de quatre), est relié au générateur haute fréquence 30 par des fils 34. Dans le cas de l’exemple illustré en figure 3, les transducteurs 24 sont agencés sur la face externe de deux parois opposées du réservoir 16. Plus il y a de transducteur 24 sur la paroi du réservoir 16, meilleur sera l’effet de désoxygénation/désaération. Toutefois l’agencement des transducteurs 24 peut être différent. En effet, ces transducteurs 24 peuvent être placés autour du réservoir 16 d’huile (comme, par exemple, dans une cuve de nettoyage à ultrason) et/ou autour et tout le long d’un ou plusieurs des conduits 26 du circuit de récupération C2, comme illustré en figure 7b. Idéalement les transducteurs 24 sont placés juste avant le désaérateur mécanique 20, sur le circuit de récupération C2 de manière à ce que la séparation bulle de gaz/huile par le désaérateur mécanique 20 soit simplifiée. On augmente ainsi l’efficacité dudit désaérateur mécanique 20.

Les figures 4, 5 et 6, illustrent différents points de vue détaillés d’un transducteur 24 fixé à l’extérieur d’un réservoir 16 selon un premier mode de réalisation. Selon le mode de réalisation des figures 4, 5, 6 le transducteur 24 est situé à l’extérieur du réservoir 16. Le transducteur 24 est maintenu contre la paroi du réservoir 16 au moyen d’une tubulure externe 36 s’étendant dans une direction sensiblement perpendiculaire à la paroi du réservoir 16. Cette tubulure externe 36 présente un filetage interne F₁destiné à coopérer avec un filetage complémentaire F₂correspondant d’un bouchon 38. Dans cette configuration, il ne peut y avoir de contact entre les fils électriques 34 et l’huile 10. Les fils électriques 34 relient le transducteur 24 au générateur haute fréquence 30 via une fente 39 ménagée dans la tubulure 36. Cette configuration « externe » permet également de s’affranchir d’éventuels problèmes de fuite. La maintenance est également facilitée du fait que le transducteur 24 est à l’extérieur du réservoir 16 : si un transducteur piézoélectrique composant le transducteur 24 est à remplacer, il suffit de dévisser le bouchon 38 et remplacer le transducteur piézoélectrique sans avoir besoin d’accéder à l’intérieur du réservoir 16.

Le transducteur 24 est maintenu au contact de la paroi du réservoir 16 par un ressort 40 s’étendant entre le transducteur et le bouchon 38. Ce ressort 40 permet de maintenir le contact entre le transducteur 24 et le réservoir 16 malgré les vibrations du transducteur 24 lorsque celui-ci est actif. Grâce à son élasticité, le ressort 40 permet de ne pas empêcher le mouvement de vibration du transducteur 24. Il est possible d’utiliser, à la place du ressort 40, un autre matériau élastique comme un élastomère, par exemple.

D’un point de vue scientifique, le réservoir 16 est une sonotrode car il sert d’intermédiaire à transmettre les ondes vers le liquide (l’huile 10). En effet, par définition, une sonotrode ne convertit pas de signal, elle permet simplement de transmettre l’énergie vibratoire (ici les ondes mécaniques du transducteur 24) d’un endroit à un autre (par exemple pour les amener dans l’huile 10). Outre le réservoir 16 qui est donc une sonotrode par défaut, il est possible, dans un mode de réalisation alternatif de l’invention, d’ajouter une (ou plusieurs) sonotrode(s) 42 au dispositif désaération 22 comme illustrés aux figures 8 et 9. Cet ajout permet d’améliorer la restitution de l’énergie vibratoire au seins de l’huile 10.

Classiquement, une sonotrode est une pièce métallique ou autre élément qui, soumis à un ultrason, restitue celui-ci dans un élément à appliquer (gaz, liquide, tissus ou solide), ici l’huile 10. Toutefois l’utilisation d’une sonotrode 42 dans le cadre de la présente invention, dépend des contraintes spatiales et de pression du réservoir d’huile 16 et des conduits du circuit C2 de la turbomachine 1 considérée. En effet, comme un transducteur 24 peut être monté à l’extérieur du contenant (canalisations C2 et/ou reservoir 16) il est peu perturbant pour le circuit de lubrification. Au contraire, une sonotrode 42 doit être placée à l’intérieur du contenant (par exemple le réservoir 16) et être plongée dans l’huile 10.

La sonotrode 42 est une pièce qui est soumise à de l'ultrason émis par le transducteur 24, et restitue cette énergie vibratoire dans l’huile 10 du réservoir 16. Suivant une plage de fréquence standard d'utilisation de l'ultrason (de 20 kHz à 70 kHz), la sonotrode 42 résonne en fréquence en se "contractant" et en se "dilatant" x fois par seconde (x étant la fréquence) dans une amplitude de quelques micromètres (environ de 13 à 130 µm). Cette résonance d'onde acoustique d'une demi-longueur d'onde, suit les caractéristiques d'élasticité constante du matériau E (module de Young), de sa masse volumique ρ, de la vitesse du son c à travers ce matériau, ainsi que la fréquence f. Suivant la forme donnée à la sonotrode 42, il est soit possible d’amplifier le signal soit possible d’améliorer la transmission à l’huile 10. La sonotrode 42 est préférentiellement en métal par exemple titane, aluminium, acier, avec ou sans traitement thermique (carbure).

Une solution alternative consiste à introduire le transducteur 24 dans une cavité C du réservoir 16. Les deux modes de réalisation sont illustrées en figure 8 : à gauche, le mode de réalisation avec un transducteur situé à l’extérieur du réservoir 16 avec une sonotrode 42 placée à l’intérieur du réservoir 16, et à droite, un transducteur placé dans une cavité C ménagée dans la paroi du réservoir 16, de manière à placer le transducteur à l’intérieur du réservoir 16 sans le mettre au contact de l’huile 10.

La figure 9 illustre un cinquième mode de réalisation de la présente invention. Le transducteur 24 (et la sonotrode 42) sont placés dans l’huile 10 du réservoir 16. Dans ce mode de réalisation, le réservoir 16 comporte une cavité interne C. Ainsi, plutôt que de placer le transducteur 24 à l’extérieur de la paroi du réservoir 16, le transducteur 24 est placé au milieu de l’huile 10 à désoxygéner/désaérer. Le transducteur 24 est positionné à proximité de la paroi d’une extrémité interne de la cavité C. La cavité C présente une ouverture à son extrémité externe. La cavité C est donc fermée, à l’extérieur de la paroi par coopération avec un bouchon B. La paroi interne de la cavité C coopère par vissage avec le bouchon B au moyen de deux filetages F₃, F₄complémentaires. Un perçage dans le bouchon B permet de relier le transducteur 24 au générateur haute fréquence 30 sans que les fils électriques 34 n’entrent en contact avec l’huile 10. L’étanchéité du réservoir 16 est assurée par au moins un joint J placé au niveau du contact de la cavité C et du bouchon B. Dans le mode de réalisation de la figure 9, la propagation des ondes ultrasoniques se fait à travers la sonotrode 42. La sonotrode 42 comporte, dans sa composition, un métal dense tel que le titane, l’aluminium ou l’acier. La sonotrode 42 plonge également dans l’huile 10. La sonotrode 42 est vissée à l’extrémité interne de la cavité C. Un joint peut être agencé à l’extrémité interne de la cavité C. Le transducteur 24 est maintenu au contact de la sonotrode 42 au moyen d’un ressort 40 s’étendant entre l’extrémité interne de la cavité C et le transducteur 24 de façon similaire au mode de réalisation de la figure 4.

La combinaison de transducteurs 24 (et sonotrode 42) avec un désaérateur mécanique 20 classique permet d’une part d’améliorer l’efficacité dudit désaérateur mécanique 20 car les bulles d’air sont plus grosses et ainsi plus facilement évacuables et permet, d’autre part, l’évacuation d’éléments chimiques dissouts dans l’huile 10. En effet, étant donné que les désaérateurs mécaniques 20 reposent uniquement sur le principe de centrifugation des bulles de gaz déjà formées, cette technologie ne permet pas d’évacuer les éléments qui ne sont pas déjà sous forme de bulles.

Claims

Système de désaération d’huile d’une turbomachine (1), en particulier d’aéronef caractérisé en ce que le système comprend, un dispositif de désaération d’huile (22) comprenant au moins un transducteur (24) destiné à émettre des ultrasons, ledit au moins un transducteur (24) étant fixé sur une face externe d’une paroi d’un contenant (16, 26) destiné à recevoir ou à permettre la mise en circulation d‘une huile (10), ledit au moins un transducteur (24) étant fixé de manière à propager des ondes ultrasonores dans l’huile (10) en circulation.
Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de désaération d’huile (22) est agencé en amont du désaérateur mécanique (20) suivant la circulation de l’huile (10).
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins un transducteur (24) est un transducteur piézoélectrique.
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une sonotrode (42) en plus de l’au moins un transducteur (24).
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le contenant (16, 26) est un réservoir (16) ou un conduit (26) de circuit de mise en circulation (C1, C2) de l’huile (10).
Module de turbomachine d’axe longitudinal X, comprenant :
deux circuits (C1, C2) de mise en circulation de l’huile de lubrification (10),

un système de désaération d’huile selon l’une quelconque des revendications précédentes,

un élément (18) destiné à être lubrifié par l’huile (10) mise en circulation,

un dispositif électronique de commande.
Turbomachine d’aéronef comportant un système de désaération selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.