FR3129979A1 - Pressurisation d’une enceinte lubrifiée de turbomachine - Google Patents
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Abstract
Le présent document concerne ensemble de lubrification et de pressurisation d’enceinte pour une turbomachine comprenant au moins une enceinte lubrifiée (112) protégée par deux joints d’étanchéité (112-1,112-2), ladite turbomachine comprenant en outre une veine primaire (103) entourant ladite au moins une enceinte lubrifiée (112), dans laquelle circule un flux primaire (F1) traversant au moins un compresseur (102, 104) de ladite turbomachine, ledit ensemble comprenant un compresseur électrique (116) alimenté en air et relié à ladite au moins une enceinte lubrifiée (112) pour introduire de l’air sous pression dans ladite enceinte (112) à travers lesdits joints d’étanchéité (112-1,112-2). . Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 2]
Description
Domaine technique de l’invention
Le présent document concerne la lubrification des éléments tournants dans une turbomachine, en particulier la pressurisation d’enceintes lubrifiée comprenant un ou plusieurs paliers à roulement de la turbomachine.
Etat de la technique antérieure
Les turbomachines de l'art antérieur comportent généralement des roulements, appelés aussi paliers, qui sont protégés de l’environnement des autres composants de la turbomachine par des enceintes, appelées enceintes paliers, qui les entourent.
Ainsi, la représente schématiquement une enceinte palier 1 de l'art antérieur, telle que décrite par le document FR3021067. Cette enceinte palier 1 permet d'isoler avec une certaine étanchéité un palier de guidage d'un arbre tubulaire 8 par rapport à d’autres parties de la turbomachine situées de part et d’autre du palier. Le palier de guidage comporte une bague externe fixe 9 montée sur une partie fixe 10 de la turbomachine, une bague interne tournante 11 montée sur l'arbre tubulaire 8 et des éléments roulants 7. Ce montage peut être inversé de sorte que la bague interne soit fixe et la bague externe soit tournante.
Afin d'assurer la lubrification et le refroidissement du palier de guidage contenu dans l'enceinte, il est nécessaire d'injecter un lubrifiant sous pression sur les éléments en mouvement 11 et/ou 7. Pour cela, l'enceinte palier 1 comporte des moyens d'injection 12 qui comportent généralement un conduit d'arrivée 2 relié à un gicleur 3 qui permettent d'envoyer le lubrifiant sous pression au niveau de la bague tournante 11 et/ou les éléments roulants 7. L'enceinte palier 1 comporte également des moyens de récupération 5 du lubrifiant qui permettent d'évacuer le lubrifiant usagé.
Par ailleurs, afin d'assurer l'étanchéité de l'enceinte palier, cette enceinte est fermée par des joints d’étanchéité 14. Généralement, les joints d'étanchéité 14 sont des joints à labyrinthe, c'est-à-dire des joints sans frottement et composés de reliefs opposés créant des réductions de section entrainant des différentiels de pression à travers eux. Ces différentiels de pression, importants, rendent les fuites plus difficiles, mais ne les suppriment pas complètement. Or, il convient d'éviter la dissémination de l'huile hors l'enceinte palier 1, pour éviter divers inconvénients, comme la cokéfaction ou le risque d'incendie sur une zone chaude du moteur, la pollution du moteur et de ses alentours, la consommation excessive d'huile, des défauts de lubrification du palier ou la formation d'un balourd liquide.
Pour cela, de l'air sous pression est injecté dans l'enceinte palier grâce à des moyens d'injection d'air 4, pour assurer un différentiel de pression suffisant. Cet air sous pression est généralement prélevé en aval d'un étage de compression de la turbomachine dans la veine primaire, et plus précisément en aval du compresseur basse pression de la turbomachine et en amont du compresseur haute pression. Ce plan de prélèvement est appelé plan 25 et la pression au niveau de ce plan est appelée P25.
Ainsi, c’est la différence de pression entre l’amont et l’aval des joints d’étanchéité 14 qui assure la bonne pressurisation de l’enceinte palier 1. Si cet écart est trop faible, alors des gouttelettes d’huile au voisinage des étanchéités sont susceptibles de fuir par ces joints d’étanchéité 14. Cependant, la pression P25 varie en fonction des phases de fonctionnement de la turbomachine, et est plus faible à faible régime de la turbomachine. En effet, l’air de pressurisation prélevé au niveau du plan 25 n’a pas assez de pression à faible régime pour contrer la pression dans l’enceinte qui est proche de la pression ambiante grâce au circuit de mise à l’air libre.
Pour pallier ce problème, un système d’aspiration électrique peut être prévu pour venir dépressuriser l’enceinte palier, comme décrit dans le document FR3092366A1. En alternative connue de l’art antérieur, ce document décrit aussi l’utilisation d’une trompe à jet pour venir dépressuriser l’enceinte palier 1, i.e. aspirer l’air huilé présente dans l’enceinte. Cependant, la trompe à jet nécessite un flux primaire de forte pression, généralement prélevé au niveau d’un plan, appelé plan 27, qui se trouve en aval du compresseur haute pression, pour venir entrainer un flux secondaire, provenant de l’enceinte palier à pressuriser.
Le document FR2698406 décrit une autre alternative pour pressuriser l’enceinte, à savoir : la mise en place de deux points de prélèvement d’air à destination de l'enceinte palier via une vanne qui est commandée pour prélever de l’air au niveau du plan 25, ou pour prélever de l’air au niveau du plan 27 lorsque la turbomachine est à faible régime, pour assurer une pressurisation suffisante de l’enceinte palier.
Cependant, ces solutions nécessitent un prélèvement assez loin de l’enceinte palier dans la veine primaire, ce qui est coûteux en termes de performance et d’installation.
En outre, en particulier quand l’enceinte lubrifiée est de type ventilée et associée à un déshuileur, l’huile de lubrification introduite dans l’enceinte palier est généralement récupérée par une pompe de récupération et l’air introduit dans l’enceinte est évacué par un tube de dégazage vers le déshuileur puis vers l’extérieur. Le déshuileur récupère l’huile de l’air huilé, pour le réintroduire dans le système d’huile. Néanmoins, le déshuileur n’étant pas 100% efficace, une petite proportion d’huile n’est pas récupérée par le déshuileur et est perdue dans l’atmosphère, ce qui constitue la majeure partie voire la totalité de la consommation d’huile du moteur. Généralement, plus le débit d’air est important, plus la quantité d’huile perdue est importante, car l’air se comporte comme le véhicule de l’huile dans le dégazage de l’enceinte.
L’écart de pression, à haut régime, entre l’amont et l’aval des joints d’étanchéité est souvent bien supérieur au besoin de pressurisation de l’enceinte palier. Ainsi, le débit d’air introduit dans l’enceinte est donc plus important que nécessaire et entraine une perte plus importante d’huile.
Le présent document vise à remédier à ces inconvénients.
Le présent document propose un ensemble de lubrification et de pressurisation d’enceinte pour une turbomachine comprenant au moins une enceinte lubrifiée protégée par deux joints d’étanchéité, ladite turbomachine comprenant en outre une veine primaire entourant ladite au moins une enceinte lubrifiée, dans laquelle circule un flux primaire traversant au moins un compresseur de ladite turbomachine, ledit ensemble comprenant un compresseur électrique alimenté en air et relié à ladite au moins une enceinte lubrifiée pour introduire de l’air sous pression dans ladite enceinte à travers lesdits joints d’étanchéité.
Le compresseur électrique permet de pressuriser l’enceinte lubrifiée indépendamment du régime de fonctionnement dudit au moins un compresseur, ce qui permet de prévenir la cokéfaction de l’huile dans l’enceinte lubrifiée et toute fuite d’huile depuis l’enceinte lubrifiée. En outre, le régime du compresseur électrique peut être commandé pour adapter le taux de pressurisation de l’enceinte lubrifiée au juste besoin nécessaire pour éviter une fuite d’huile par les joints. La pression peut être adaptée pour rester constante aux bornes de l’enceinte lubrifiée indépendamment du point de fonctionnement de la turbomachine. Le régime du compresseur électrique peut être piloté par un boitier de contrôle, par exemple en fonction de paramètres de la turbomachine comme le régime du corps haute pression, appelé régime N2, ce qui permet notamment de gagner en consommation électrique. L’adaptation du débit d’air entrant dans l’enceinte lubrifiée permet de diminuer la consommation d’huile de la turbomachine, en particulier quand l’enceinte lubrifiée est de type ventilée et associée à un déshuileur. En effet, la diminution du débit d’air entrant dans l’enceinte permet de diminuer le débit d’air évacué vers l’extérieur de la turbomachine par le déshuileur, ce qui diminue la consommation d’huile de la turbomachine pour les raisons précédemment exposées.
La turbomachine peut comprendre un compresseur haute pression et/ou un compresseur basse pression.
Le compresseur électrique peut être configuré pour introduire de l’air dans ladite au moins une enceinte lubrifiée à une pression plus élevée que celle dans ladite au moins une enceinte lubrifiée au besoin.
Selon un mode de réalisation, la turbomachine peut comprendre un compartiment inter-veines délimité par un carter annulaire extérieur autour duquel circule un flux secondaire dans une veine secondaire de la turbomachine entourant la veine primaire, et par un carter annulaire intérieur dans lequel circule le flux primaire.
Le compresseur électrique peut être agencé dans le compartiment inter-veine ou à l’amont du compartiment inter-veines. Ainsi, le compresseur électrique se trouve dans une zone relativement froide comparé à la veine primaire.
Le compresseur électrique peut être alimenté par de l’air prélevé du le flux secondaire.
La turbomachine peut comprendre un circuit de refroidissement, pour refroidir au moins une partie dudit au moins un compresseur. Le circuit de refroidissement peut être configuré pour prélever de l’air du flux primaire, en particulier pour prélever de l’air en aval du compresseur basse pression et en amont du compresseur haute pression. Ledit circuit de refroidissement peut en outre être configuré pour acheminer l’air prélevé vers ladite au moins une partie dudit au moins un compresseur. Ladite au moins une enceinte lubrifiée peut comprendre un palier à roulement. Un des joints d’étanchéité peut être agencé en amont de l’enceinte lubrifiée et l’autre joint d’étanchéité peut être agencé en aval de l’enceinte lubrifiée.
Ladite enceinte lubrifiée peut être fermée d’une part à son extrémité amont par deux joints d’étanchéité séparés longitudinalement et disposés dans une cavité amont dans laquelle de l’air sous pression provenant dudit compresseur électrique est introduit, et d’autre part à son extrémité aval par deux joints d’étanchéité séparés longitudinalement et disposés dans une cavité aval dans laquelle de l’air sous pression provenant dudit compresseur électrique est introduit.
Le circuit de refroidissement peut être configuré pour acheminer l’air prélevé vers ladite cavité amont et/ou vers ladite cavité aval.
Le compresseur électrique peut être configuré pour introduire de l’air pressurisé à travers le joint aval de la cavité amont et du joint amont de la cavité aval.
L’ensemble peut comprendre au moins une pompe d’alimentation en huile configurée pour alimenter ladite au moins une enceinte lubrifiée en huile et au moins un séparateur air/huile relié à ladite au moins une enceinte lubrifiée et configuré pour récupérer un mélange d’air et d’huile introduits dans ladite enceinte et séparer l’huile et l’air dudit mélange.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins compresseur traversé par le flux primaire peut être un compresseur basse pression. L’ensemble peut comprendre une première enceinte lubrifiée en amont du compresseur basse pression et une seconde enceinte lubrifiée en aval du compresseur basse pression. Seule la seconde enceinte lubrifiée peut être reliée au compresseur électrique.
Bien entendu, la première enceinte lubrifiée et la seconde enceinte lubrifiée peuvent être pressurisées par le compresseur électrique.
L’ensemble peut comprendre une pluralité d’enceintes lubrifiées, dont au moins une peut être pressurisée par le compresseur électrique. Toutes les enceintes lubrifiées peuvent être reliées à un unique compresseur électrique. Alternativement, l’ensemble peut comprendre un compresseur électrique pour chaque enceinte lubrifiée.
Selon un mode de réalisation, l’ensemble peut comprendre une vanne, en particulier autonome ou pilotée, par exemple sous la forme d’un clapet anti-retour autonome, ladite vanne étant disposée en dérivation du compresseur électrique et configurée pour court-circuiter le compresseur électrique lorsque la pression au niveau d’un prélèvement d’air dans la veine secondaire pour le compresseur électrique est supérieure à un seuil. Ledit seuil peut être déterminé en fonction des caractéristiques de la turbomachine. Avec une vanne sous la forme d’un clapet anti-retour, celui-ci est fermé quand la pression en aval dudit clapet est supérieure à celle en amont, dans ce cas le compresseur électrique assure la pressurisation de l’enceinte lubrifiée. Le clapet peut être configuré pour s’ouvrir lorsque la différence de pression aux bornes du clapet est supérieure au seuil déterminé, permettant ainsi d’acheminer de l’air vers ladite au moins une enceinte lubrifiée sans utiliser le compresseur électrique. Si la vanne n’est pas un clapet autonome mais un organe piloté, le pilotage de son ouverture pourra être commandé par le calculateur moteur en fonction de différents paramètres d’acquisition à partir desquels la pression au niveau du prélèvement d’air dans la veine secondaire peut être estimée, et notamment en fonction du régime N2.
Selon un mode de réalisation, des moyens d’alimentation électrique du compresseur électrique peuvent être configurés pour interrompre ladite alimentation quand la vanne est dans une position ouverte court-circuitant ledit compresseur électrique.
L’alimentation du compresseur électrique peut être interrompue lorsque la vanne est ouverte, ainsi la consommation du compresseur électrique peut être limitée. Par exemple, l’alimentation du compresseur électrique peut être interrompue ou mise en route avec un décalage temporel entre l’ouverture ou la fermeture de la vanne et la coupure ou l’activation du compresseur électrique, afin de maintenir la différence de pression dans la phase transitoire.
Ladite au moins une enceinte lubrifiée peut comprendre des tubes la traversant et débouchant de part et d’autre, en particulier selon l’axe longitudinal, à l’extérieur de ladite au moins une enceinte lubrifiée, chaque tube débouchant au niveau d’un des joints d’étanchéité de ladite au moins une enceinte lubrifiée et étant alimenté en air sous pression par le compresseur électrique.
L’ensemble peut comprendre un moyen de régulation du compresseur électrique pour respecter une différence de pression déterminée entre un côté amont et un côté aval de chaque joint d’étanchéité. Ladite différence de pression peut être déterminée par dimensionnement, de sorte à fournir la pression juste nécessaire pour assurer un débit d’air traversant les joints d’étanchéité permettant d’éviter toute fuite d’huile de ladite au moins une enceinte lubrifiée vers l’extérieur.
Le moyen de régulation du compresseur électrique peut être configuré pour commander une puissance du compresseur électrique pour atteindre ladite différence de pression déterminée aux bornes des joints d’étanchéité de ladite au moins une enceinte lubrifiée
Une ou plusieurs enceintes lubrifiées peuvent être prévues pour différents rotors tournants de la turbomachine, tel qu’une soufflante de la turbomachine, un rotor d’un compresseur de la turbomachine, ou encore un rotor d’une turbine de la turbomachine.
Le compresseur électrique peut être relié à un moteur électrique alimenté électriquement par une batterie ou un générateur ou un réseau électrique interne d’un aéronef comprenant le turbomachine, prévus dans un aéronef comprenant ladite turbomachine. Le moteur et/ou la batterie ou le générateur peuvent être agencées dans une zone relativement froide de la turbomachine.
Le présent document concerne une turbomachine, en particulier pour aéronef, comprenant un ensemble tel que précité.
Brève description des figures
Claims (10)
- Turbomachine comprenant un ensemble de lubrification et de pressurisation d’enceinte comprenant au moins une enceinte lubrifiée (112) protégée par deux joints d’étanchéité (112-1,112-2), ladite turbomachine comprenant en outre une veine primaire (103) entourant ladite au moins une enceinte lubrifiée (112), dans laquelle circule un flux primaire (F1) traversant au moins un compresseur (102, 104) de ladite turbomachine, ledit ensemble comprenant un compresseur électrique (116) alimenté en air et relié à ladite au moins une enceinte lubrifiée (112) pour introduire de l’air sous pression dans ladite enceinte (112) à travers lesdits joints d’étanchéité (112-1,112-2).
- Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle la turbomachine comprend un compartiment inter-veines (122) délimité par un carter annulaire extérieur (111) autour duquel circule un flux secondaire (F2) dans une veine secondaire (105) de la turbomachine entourant la veine primaire (103), et par un carter annulaire intérieur (113) dans lequel circule le flux primaire (F1), et dans laquelle le compresseur électrique (116) est agencé dans ledit compartiment inter-veines.
- Turbomachine selon la revendication 2, dans laquelle le compresseur électrique est alimenté par de l’air prélevé du flux secondaire.
- Turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la turbomachine comprend un circuit de refroidissement (124) pour refroidir au moins une partie dudit au moins un compresseur (102, 104), ledit circuit de refroidissement étant configuré pour prélever de l’air du flux primaire (F1) et pour acheminer ledit air prélevé vers ladite au moins une partie dudit au moins un compresseur (102, 104).
- Turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite au moins une enceinte lubrifiée (112) comprend un palier à roulement, ladite enceinte lubrifiée étant fermée d’une part à son extrémité amont par deux joints d’étanchéité (112-1,126-1) séparés longitudinalement et disposés dans une cavité amont (128-1) dans laquelle de l’air sous pression provenant dudit compresseur électrique (116) est introduit, et d’autre part à son extrémité aval par deux joints d’étanchéité (112-2,126-2) séparés longitudinalement et disposés dans une cavité aval (128-2) dans laquelle de l’air sous pression provenant dudit compresseur électrique (116) est introduit.
- Turbomachine selon la revendication 5 prise en dépendance de la revendication 4, dans laquelle le circuit de refroidissement (124) est configuré pour acheminer de l’air prélevé du flux primaire (F1) vers ladite cavité amont (128-1) et/ou vers ladite cavité aval (128-2).
- Turbomachine selon l’une des revendications 4 à 6, dans laquelle ledit au moins un compresseur traversé par le flux primaire (F1) est un compresseur basse pression (102), ledit ensemble comprenant une première enceinte lubrifiée (110) en amont du compresseur basse pression (102) et une seconde enceinte lubrifiée (112) en aval du compresseur basse pression (102), et dans laquelle seule la seconde enceinte lubrifiée (112) est reliée au compresseur électrique (116).
- Turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite au moins une enceinte lubrifiée (112) comprend des tubes (120) la traversant et débouchant de part et d’autre à l’extérieur de ladite au moins une enceinte lubrifiée (112), chaque tube (120) débouchant au niveau d’un des joints d’étanchéité (112-1,112-2) de ladite au moins une enceinte lubrifiée (112) et étant alimenté en air sous pression par le compresseur électrique (116).
- Turbomachine selon l’une des revendications précédentes prise en combinaison avec la revendication 2, comprenant une vanne (117) disposée en dérivation du compresseur électrique (116) et configurée pour court-circuiter ledit compresseur électrique lorsque la pression au niveau d’un prélèvement d’air dans la veine secondaire pour ledit compresseur électrique est supérieure à un seuil.
- Turbomachine selon la revendication 9, dans laquelle des moyens d’alimentation électrique du compresseur électrique (116) sont configurés pour interrompre ladite alimentation quand la vanne (117) est dans une position ouverte court-circuitant ledit compresseur électrique.
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