WO2012052658A2 - Dispositif de lubrification avec vanne de derivation. - Google Patents

Dispositif de lubrification avec vanne de derivation. Download PDF

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Sébastien Detry
Yannick Cazaux
Olivier Pierre Descubes
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Turbomeca
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    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/602—Drainage

Definitions

  • the present invention relates to a lubrication device, in particular for a turbomachine such as, for example, a turbojet, a turbine engine or a turboprop.
  • a turbomachine such as, for example, a turbojet, a turbine engine or a turboprop.
  • Lubricating devices having measures to stop the flow of lubricant upstream of the elements to be lubricated below a certain speed have been disclosed in the prior art.
  • the devices used include foot valves downstream of the feed pump and anti-siphon devices upstream of the feed pump.
  • the foot valves and anti-siphon devices of the prior art are generally adjusted to stop the flow of lubricant at a very low speed of the machine to lubricate, which reduces their effectiveness against the accumulation of lubricant in the elements to be lubricated.
  • a lubricating device which includes a lubricant supply circuit, and a bypass circuit connected to the supply circuit.
  • the lubrication system comprises on one side a non-return valve in the feed circuit , downstream of the bypass circuit, and, on the other hand, in the bypass circuit, a bypass valve arranged to open below a predetermined supply pressure.
  • each lubrication system further comprises, between the supply circuit and the bypass circuit, a valve comprising an input connected to said supply circuit, a first output able to be connected to elements to be lubricated, a second output connected to the bypass circuit, and a valve housed in a valve cavity, delimiting a first chamber of a second chamber.
  • Said first chamber is connected to the inlet, and said valve is slidable between a first position and a second position, having on the side of the first chamber a hydraulic actuating surface towards the second position, and on the side of the second chamber.
  • the valve also has an actuator for returning the valve to the first position.
  • a fluid passage from the first chamber to the second outlet is opened while a fluid passage from the first chamber to the first outlet is closed.
  • the fluid passage from the first chamber to the first outlet is open while the fluid passage from the first chamber to the second outlet is closed.
  • each valve disclosed has, through or around the valve, fluid passages between the first and second chambers to allow, in said first valve position, the passage of the lubricant from the first chamber to the second outlet and the circuit bypass. These passages can introduce an undesirable instability both during closure and when opening the branch circuit.
  • the valve When the supply circuit starts, and a sufficient overpressure is established in the first chamber, the valve will begin to move from the first position to the second against the force exerted by the return actuator. The pressure difference between the first and the second chamber is then a function of the pressure drop induced by the flow of lubricant through said fluid passages between the two chambers. However, when the valve reaches the second position, it closes the passage between the second chamber and the second exit. As the second chamber no longer evacuates fluid to the second outlet, the pressures of the two chambers equalize through the fluid passages connecting them. The effective hydraulic actuation surface on which the difference between the pressure of the supply circuit and that of the evacuation circuit is thus reduced is reduced abruptly from that of the section of the valve to that substantially lower than the second outlet. . Under the effort of the booster actuator, the The valve could then start in the opposite direction, reopening the second exit, restoring the pressure difference, and so on.
  • the valve when, from a normal feeding regime, the pressure drops below a certain threshold, the valve will begin to move from the second to the first position, opening the second outlet, and restoring the flow lubricant through the valve and the second chamber to this second outlet.
  • the pressure in the second chamber will cease to be equal to that of the first chamber to equalize with that, lower, of the second outlet.
  • the aim of the invention is to propose a lubrication device which makes it possible to solve the problem of instability during the opening and closing of the branch circuit, and that of the hysteresis between the two.
  • the lubricating device further comprises a lubricant removal circuit for recovering the lubricant from the elements to be lubricated.
  • this circuit may comprise an evacuation pump.
  • Such an evacuation circuit makes it possible to evacuate the lubricant from the elements to be lubricated, to reuse it in closed circuit, and also to evacuate its heat.
  • this lubricant discharge circuit in combination with the circuit and the bypass valve, makes it possible to limit the amount of lubricant in the elements to be lubricated when the supply pressure falls below a certain threshold. which avoids phenomena related to excess or stagnant lubricant in these elements, such as leaks or coking.
  • the limitation of the quantity of lubricant, typically combustible, in these elements also makes it possible to reduce the danger in case of fire, which also has the advantage of reducing the regulatory requirements of fire resistance, allowing a more economical dimensioning of the different components involved.
  • the fluid passage connecting the first chamber to the second outlet in the first position of the valve has a greater resistance to flow than the fluid passage connecting the first chamber to the first outlet in the second position of the valve. This ensures a greater pressure drop in the second position than in the first position, and a pressure difference between the two outputs.
  • the invention also relates to an apparatus comprising a rotary shaft with at least one support bearing, and, for lubricating this bearing, a lubricating device according to the invention.
  • an apparatus may further comprise, in said supply circuit, upstream of the valve, a feed pump actuated by said rotary shaft, to provide a fuel supply related to the rotation of said rotating shaft.
  • actuated is meant, in the context of the present invention, both a direct mechanical actuation, an indirect actuation, through a mechanical transmission, hydraulic, pneumatic, or electrical.
  • the lubrication device can then be calibrated so that a rotational speed of the rotary shaft at which the valve reaches the second position during a revving is in a range between 20 and 35% of a nominal speed of the rotary shaft, and / or that a rotation speed of the rotary shaft at which the valve returns to the first position during a lowering speed is in a range between 15 and 30% of a nominal speed of the rotary shaft.
  • the present invention also relates to a turbomachine, in particular for an aircraft, such as a helicopter, comprising such a device.
  • a turbomachine has constraints of rotation speed, reliability, lubrication, and fire safety particularly high, a context that makes the use of the invention particularly advantageous.
  • FIG. 1 schematically illustrates an aircraft propelled by a turbine engine with a lubricating device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2a shows a longitudinal section of the bypass valve of the lubricating device of Figure 1, with the valve in a first position
  • FIG. 2b illustrates another longitudinal section of the valve of Figure 2a, with the valve in a second position
  • FIG. 3a illustrates a longitudinal section of the bypass valve of a lubrication device according to a second embodiment of the invention, with the valve in a first position
  • FIG. 3b illustrates another longitudinal section of the valve of Figure 3a, with the valve in a second position
  • FIG. 4a illustrates a longitudinal section of the bypass valve of a lubricating device according to a third embodiment of the invention, with the valve in a first position;
  • FIG. 4b illustrates another longitudinal section of the valve of Figure 4a, with the valve in a second position
  • FIG. 5 schematically illustrates a lubricant supply flow curve by a lubricating device according to any of the illustrated embodiments, depending on the supply pressure.
  • FIG. 1 schematically illustrates an aircraft, more specifically a helicopter 1, comprising a turbine engine 2 with a rotary drive shaft 3 supported by bearings 4, and a lubricating device 5 for lubricating said bearings 4.
  • the lubricating device 5 comprises a lubricant reservoir 6, a supply circuit 7 of the lubricant bearings 4, a bypass circuit 8, a valve 9 interposed between the supply circuit 7 and the bypass circuit 8, and a discharge circuit 10 of the lubricant of the bearings 4.
  • the supply circuit 8 comprises a volumetric feed pump 11, actuated by the motor shaft 3 through an accessory transmission 12 (English: “Accessory Gear Box” or “Accessory Gear Box”). "AGB”).
  • the evacuation circuit 10 comprises a discharge pump 13, also volumetric and actuated by the drive shaft 3 through the AGB 12.
  • the feed pumps 11 and evacuation 13 are thus normally coordinated to circulate substantially the same flow rate and avoid, at least at a nominal speed, a build-up or a lack of lubricant in the bearings 4. However, at low speeds, it can no longer be assured that these flows will remain the same. There is therefore in particular a risk of accumulation or stagnation of lubricant in the bearings 4.
  • the lubrication device 5 comprises the bypass valve 9, controlled by the supply pressure.
  • This valve 9 is a three-way and two-position valve, with an IN input connected to the supply circuit 7, a first output M connected to the bearings 4 to feed them with lubricant, and a second output BP of the lubricant bypass through the branch circuit 8 to the tank 6, directly, as illustrated, or indirectly, through, for example, the AGB 12.
  • FIG. 2a and 2b A first variant of this valve 9 is illustrated in Figures 2a and 2b.
  • the valve 9 illustrated is of the so-called "spool" type, with a valve 14 sliding in an axis A between two positions in a cavity 15 of the valve 9.
  • the valve 14 delimits two chambers 16, 17, of which the first is in fluid communication with the IN input and the second is in fluid communication, through a drain 18, with the second LP output of the valve 9.
  • the valve 14 separates the chambers 16, 17 substantially sealingly, and has on the side of the first chamber 16 a surface 19 of hydraulic actuation of the valve towards the second position, that is to say, in the illustrated embodiment, towards the second chamber 17.
  • the valve 14 also has, on the side of the second chamber 17, a hydraulic operating surface 20 of the valve towards the first position, that is to say, in the illustrated embodiment, in the direction of the first chamber 16.
  • the cavity 15 p is a first stop 21 determining the first position of the valve 14, and a second abutment 22 in the form of a shoulder, opposite to the first, and determining, with a complementary lining 23 in the valve 14, the second position of the valve.
  • the duct of the inlet IN is substantially in the sliding axis A.
  • the ducts of the two outlets M, BP are substantially perpendicular to this sliding axis A.
  • the valve 14 presents two orifices 27, 28, aligning, respectively, with the first output M in the second position, and with the second output BP in the first position, so as to put the first chamber 16 of the cavity 15 in fluid communication with the output M or respective BP.
  • the second orifice 28 is narrower than the first orifice 27, so as to more strongly restrict the flow of lubricant.
  • valve 14 In operation, as long as the pressure of the inlet IN remains insufficient to move the valve 14 against the force of the spring 26, the valve 14 will remain in the first position, as illustrated in FIG. 2a, with the first outlet M closed. by the valve 14, and the second port 28 of the valve 14 aligned with the second output BP, so as to substantially deflect the entire flow of lubricant to the bypass circuit 8. Because of the restriction of the orifice 28, the loss of charge in this orifice 28 ensures, as soon as there is a lubricant flow, a lower pressure in the second LP output than the input IN. As the first chamber 16 is directly connected to the input IN, and the second chamber 17 is connected to the second output BP through the drain 18, a pressure difference ⁇ is established between the two chambers 16, 17, separated by the valve 14 substantially sealingly.
  • the pressure difference ⁇ will become sufficient to move the valve 14 towards the second position illustrated on FIG. FIG. 2b against the return of the actuator 26.
  • the first orifice 27 of the valve 14 will progressively align with the first outlet M, gradually opening the fluid passage of the inlet IN and the first chamber 16 towards this first outlet M.
  • the second orifice 28 of the valve 14 is no longer aligned with the conduit of the second LP outlet, the fluid passage between the first chamber 16 and the second LP outlet is closed. On the other hand, the fluidic communication between the second LP outlet and the second chamber 17 is maintained through the drain 18.
  • the pressure acting on the entire hydraulic operating surface 20 remains that of the second LP output.
  • FIGS. 3a to 4b Other variants of the valve 9, for alternative embodiments of a lubricating device according to the invention, are illustrated in FIGS. 3a to 4b.
  • the valve 9 illustrated in FIGS. 3a and 3b is substantially equivalent to that of FIGS. 2a and 2b, and the corresponding elements of FIG. this valve receive the same reference numerals in the drawings.
  • This valve 9 differs mainly from that of the first embodiment in that neither the valve 14 nor the bore of the cavity 15 have shoulders, thus simplifying its production. In its first position, illustrated in FIG. 3a, the valve 14 abuts against the stop 21, whereas in its second position, illustrated in FIG. 3b, it abuts against a protrusion 24 'formed on the bottom 25 of the cavity 15. Its operation is identical to that of the valve illustrated in Figures 2a and 2b, and it could be used in the same way in the lubrication device 5 of Figure 1.
  • valve 9 illustrated in Figures 4a and 4b is also substantially equivalent to that of Figures 2a and 2b, and the corresponding elements of this valve receive the same reference numerals in the drawings.
  • This third variant of the valve 9 is further simplified with respect to the second variant.
  • the valve 14 has only one radial orifice 28 aligned in the first position illustrated in FIG. 4a with a corresponding orifice 29 in a sleeve 30 received in an enlarged bore of the cavity 15.
  • This enlarged bore is in communication fluidic with the second LP output of the valve 9, so that when, in said first position the orifice 28 of the valve 14 and the orifice 29 of the jacket 30 are aligned, they put the first chamber 16 of the valve 9 in fluid communication with said second LP output.
  • the jacket 30 also has a second orifice 31 ensuring the fluidic communication of the second chamber 17 with the second LP outlet even in the second position of the valve 14 illustrated in Figure 4b. In this second position, the displacement of the valve 14 relative to the first position releases the fluid passage from the first chamber 16 to the first output M of the valve 9.
  • the operation of this valve 9 is accordingly also substantially equivalent to that the first two variants, and it could be used in the same way in the lubrication device 5 of Figure 1.
  • N a min may be in a range of between 15 and 30% of the nominal speed N g of the turbine engine 2
  • N a , max may be in a range of between 20 and 35% of the nominal speed N g of the turbine engine 2.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de lubrification (5) comportant une vanne (9) de dérivation avec une entrée (IN) reliée à un circuit d'alimentation (7), une première sortie (M) apte à être reliée à des éléments à lubrifier, et une deuxième sortie (BP) reliée à un circuit de dérivation (8). La vanne (9) comporte une soupape ( 14) logée dans une cavité (15) de la vanne (9), séparant la cavité (15) en une première chambre (16) et une deuxième chambre (17). La première chambre (16) est reliée à l'entrée (IN), et la soupape (14) est apte à coulisser entre une première position et une deuxième position en fonction d'une différence de pression Δρ entre les deux chambres (16,17), un actionneur (26) rappelant la soupape (14) vers la première position. Dans la première position, un passage fluidique de la première chambre (16) à la deuxième sortie (BP) est ouvert et un passage fluidique de la première chambre (16) à la première sortie (N) est fermé. Dans la deuxième position, le passage fluidique de la première chambre (16) à la première sortie (N) est ouvert et le passage fluidique de la première chambre (16) à la deuxième sortie (BP) est fermé. Au moins dans la deuxième position, la soupape (14) sépare lesdites première et deuxième chambres (16,17) de manière sensiblement étanche, tandis que la deuxième chambre (17) reste en communication fluidique avec la deuxième sortie (BP).

Description

Dispositif de lubrification avec vanne de dérivation
La présente invention concerne un dispositif de lubrification, en particulier pour une turbomachine telle que, par exemple, un turboréacteur, un turbomoteur ou un turbopropulseur.
Dans certains appareils, en particulier les turbomachines, il peut être avantageux, voire éventuellement nécessaire, d'arrêter, dériver ou réduire un débit de lubrifiant apporté à certains éléments, tels que des enceintes de palier, en dessous d'un certain régime d'un arbre moteur. En particulier quand la circulation de ce lubrifiant à travers ces éléments à lubrifier est actionnée par deux pompes, dont une pompe d'alimentation en amont et une pompe de récupération en aval des éléments à lubrifier, il existe une possibilité de déséquilibre à bas régime entre les débits des deux pompes. Un tel déséquilibre, lorsque la pompe d'alimentation fournit un débit de lubrifiant supérieur à celui qui est évacué par la pompe de récupération, peut provoquer une stagnation de lubrifiant dans les éléments à lubrifier, des risques de cokéfaction du lubrifiant, qui serait préjudiciable pour ces éléments.
Des dispositifs de lubrification présentant des mesures visant à arrêter le débit de lubrifiant en amont des éléments à lubrifier en-dessous d'un certain régime ont été divulgués dans l'art antérieur. Parmi les dispositifs utilisés on compte notamment les clapets de pied en aval de la pompe d'alimentation et les dispositifs anti-siphon en amont de la pompe d'alimentation. Toutefois, comme un brusque arrêt du débit de lubrifiant pourrait causer des dommages à la pompe d'alimentation si elle était encore en fonctionnement lors de cet arrêt, et que des telles pompes d'alimentation ne se désamorcent normalement qu'à un très faible régime de l'arbre moteur, les clapets de pied et dispositifs anti-siphon de l'art antérieur sont généralement ajustés pour n'arrêter le débit de lubrifiant qu'à un très bas régime de la machine à lubrifier, ce qui diminue leur efficacité contre l'accumulation de lubrifiant dans les éléments à lubrifier. Aux bas régimes, la diminution progressive de la performance du circuit de récupération, par rapport au débit apporté par le circuit d'alimentation, peut causer une stagnation du lubrifiant dans ces éléments. Lorsque ces éléments sont chauds, ceci présente un risque de cokéfaction du lubrifiant stagnant. Comme les turbomachines modernes fonctionnent à des températures de plus en plus élevées afin d'augmenter leur rendement, ce risque de cokéfaction augmente également, d'autant plus si un phénomène, dit de « soak back », se manifeste, dans lequel les éléments à lubrifier se réchauffent temporairement lors de l'arrêt de l'arbre moteur. Cette cokéfaction peut même entraîner l'obturation de gicleurs de lubrification et/ou des circuits de récupération d'huile.
Dans l'art antérieur, d'autres dispositifs de lubrification ont été divulgués comportant des dispositifs pour éviter l'accumulation de lubrifiant à bas régimes. Ainsi, dans le brevet US 4,170,873, un dispositif de lubrification a été divulgué qui comporte un circuit d'alimentation en lubrifiant, et un circuit de dérivation connecté au circuit d'alimentation. Pour arrêter l'amenée de lubrifiant vers des éléments à lubrifier avant l'arrêt d'une pompe d'alimentation dans le circuit d'alimentation, le système de lubrification comporte d'un côté un clapet anti-retour dans le circuit d'alimentation, en aval du circuit de dérivation, et, d'un autre côté, dans le circuit de dérivation, un clapet de dérivation agencé pour s'ouvrir en dessous d'une pression d'alimentation prédéterminée. Ainsi, quand la pression d'alimentation tombe en dessous de ce seuil, le clapet de dérivation va s'ouvrir et le clapet anti-retour se fermer, de manière à dévier le lubrifiant du circuit d'alimentation sans passer par les éléments à lubrifier. Toutefois, ce système de lubrification de l'art antérieur présente l'inconvénient de comporter deux clapets séparés, et donc une complication supplémentaire et deux sources potentielles de pannes.
Dans le brevet US 4,245,465, un autre dispositif de lubrification a été divulgué qui comporte un circuit d'alimentation en lubrifiant, et un circuit de dérivation connecté au circuit d'alimentation. Cet autre système de lubrification comporte une seule vanne à trois voies agencée entre le circuit d'alimentation et le circuit de dérivation pour fermer le circuit d'alimentation à bas régime, et moduler la dérivation du débit à des régimes supérieurs. Toutefois, cette vanne est complexe et peut présenter une hystérèse importante entre les seuils d'ouverture et fermeture du circuit d'alimentation, et globalement ce système d'alimentation ne résout pas le problème de la stagnation du lubrifiant dans les éléments à lubrifier, puisqu'il ne comporte pas de pompe de récupération pour l'évacuer après la fermeture du circuit d'alimentation.
Dans la demande de brevet européen EP 2 202 387 Al, plusieurs dispositifs alternatifs de lubrification ont été divulgués, comportant chacun un circuit d'alimentation en lubrifiant, et un circuit de dérivation. Chaque système de lubrification comporte en outre, entre le circuit d'alimentation et le circuit de dérivation, une vanne comportant une entrée reliée audit circuit d'alimentation, une première sortie apte à être reliée à des éléments à lubrifier, une deuxième sortie reliée au circuit de dérivation, et une soupape logée dans une cavité de la vanne, délimitant une première chambre d'une deuxième chambre. Ladite première chambre est reliée à l'entrée, et ladite soupape est apte à coulisser entre une première position et une deuxième position, présentant du côté de la première chambre une surface d'actionnement hydraulique vers la deuxième position, et du côté de la deuxième chambre une surface d'actionnement hydraulique vers la première position. La vanne comporte aussi un actionneur de rappel de la soupape vers la première position. Dans cette première position un passage fluidique de la première chambre à la deuxième sortie est ouvert tandis qu'un passage fluidique de la première chambre à la première sortie est fermé. Par contre, dans la deuxième position, le passage fluidique de la première chambre à la première sortie est ouvert tandis que le passage fluidique de la première chambre à la deuxième sortie est fermé.
Ainsi, dans la première position de soupape, comme le circuit d'alimentation est relié, à travers l'entrée, à la première chambre de la vanne, et le circuit de dérivation est relié, à travers la deuxième sortie, à la deuxième chambre de la vanne, quand la pression d'alimentation sera suffisamment élevée par rapport à la pression dans le circuit de dérivation, la différence de pression entre les deux chambres poussera la soupape vers la deuxième position jusqu'à ce que, dans cette deuxième position, le passage fluidique de la première chambre à la deuxième sortie soit fermé, et celui de la première chambre à la première sortie soit ouvert. De cette manière, une surpression suffisante dans le circuit d'alimentation fait passer la soupape d'une première position de dérivation du débit de lubrifiant à une deuxième position d'alimentation des éléments à lubrifier.
Similairement, dans la deuxième position de soupape, quand la pression d'alimentation passe en dessous un certain seuil par rapport à la pression à la deuxième sortie, l'actionneur de rappel va faire revenir la soupape vers la première position de dérivation du lubrifiant.
Toutefois, les différents dispositifs de lubrification alternatifs divulgués dans EP 2 202 387 présentent encore certains inconvénients. Notamment, chaque vanne divulguée présente, à travers ou autour de la soupape, des passages fluidiques entre les première et deuxième chambres afin de permettre, dans ladite première position de soupape, le passage du lubrifiant de la première chambre vers la deuxième sortie et le circuit de dérivation. Ces passages peuvent introduire une instabilité indésirable tant lors de la fermeture que lors de l'ouverture du circuit de dérivation.
Quand le circuit d'alimentation se met en route, et qu'une surpression suffisante s'établit dans la première chambre, la soupape commencera à se déplacer de la première position vers la deuxième, contre la force exercée par l'actionneur de rappel. La différence de pression entre la première et la deuxième chambre est alors fonction de la perte de charge induite par le flux de lubrifiant à travers lesdits passages fluidiques entre les deux chambres. Toutefois, quand la soupape arrive à la deuxième position, elle obture le passage entre la deuxième chambre et la deuxième sortie. Comme la deuxième chambre n'évacue donc plus de fluide vers la deuxième sortie, les pressions des deux chambres s'égalisent à travers les passages fluidiques les reliant. La surface effective d'actionnement hydraulique sur laquelle agit la différence entre la pression du circuit d'alimentation et celle du circuit d'évacuation se réduit donc brusquement de celle de la section de la soupape, à celle, sensiblement inférieure, de la deuxième sortie. Sous l'effort de l'actionneur de rappel, la soupape pourrait donc repartir dans le sens opposé, rouvrant la deuxième sortie, rétablissant la différence de pression, et ainsi de suite.
Similairement, quand, à partir d'un régime normal d'alimentation, la pression descend en dessous d'un certain seuil, la soupape va commencer à se déplacer de la deuxième à la première position, ouvrant la deuxième sortie, et rétablissant le débit de lubrifiant à travers la soupape et la deuxième chambre vers cette deuxième sortie. La pression dans la deuxième chambre va cesser d'être égale à celle de la première chambre pour s'égaliser avec celle, inférieure, de la deuxième sortie. Ainsi, la surface effective d'actionnement hydraulique sur laquelle agit la différence entre la pression du circuit d'alimentation et celle du circuit d'évacuation augmente donc presque aussi brusquement de celle de la section de la deuxième sortie à celle de la section de la soupape. Si la différence de pression reste suffisamment élevée, la soupape va donc revenir vers la deuxième position, refermant la deuxième sortie, et recommençant aussi le cycle.
Pour cette raison, les différentes vannes divulguées dans EP 2 202 387 présentent une instabilité potentielle tant lors de l'ouverture que lors de la fermeture du circuit de dérivation, et une hystérèse entre les deux.
L'invention vise à proposer un dispositif de lubrification qui permette de résoudre le problème d'instabilité lors de l'ouverture et fermeture du circuit de dérivation, et celui de l 'hystérèse entre les deux.
Ce but est atteint grâce au fait que, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, au moins dans la deuxième position de la soupape, la soupape sépare lesdites première et deuxième chambres de manière sensiblement étanche, tandis que la deuxième chambre reste en communication fluidique avec la deuxième sortie.
Grâce à ces dispositions, ni l'arrivée de la soupape à la deuxième position, c'est-à-dire la position d'alimentation, ni son départ de cette deuxième position ne provoquent un changement sensible de la pression dans la deuxième chambre, ni de la force exercée sur la soupape par le différentiel de pression entre les circuits d'alimentation et de dérivation. On évite ainsi l'instabilité de la vanne tant lors de la fermeture que de l'ouverture du circuit de dérivation.
Avantageusement, le dispositif de lubrification comporte en outre un circuit d'évacuation de lubrifiant pour récupérer le lubrifiant des éléments à lubrifier. En particulier, ce circuit peut comporter une pompe d'évacuation.
Un tel circuit d'évacuation permet d'évacuer le lubrifiant des éléments à lubrifier, pour le réutiliser en circuit fermé, et aussi pour en évacuer fa chaleur. En outre, ce circuit d'évacuation de lubrifiant, en combinaison avec le circuit et la vanne de dérivation, permet de limiter la quantité de lubrifiant dans les éléments à lubrifier lorsque la pression d'alimentation tombe en dessous d'un certain seuil, ce qui permet d'éviter des phénomènes liés à l'excès ou la stagnation de lubrifiant dans ces éléments, tels que les fuites ou la cokéfaction. A part cela, la limitation de la quantité de lubrifiant, typiquement combustible, dans ces éléments, permet aussi de réduire le danger en cas d'incendie, ce qui présente aussi l'avantage de réduire les exigences réglementaires de résistance au feu, permettant un dimensionnement plus économique des différents composants impliqués. Avantageusement, le passage fluidique reliant la première chambre à la deuxième sortie dans la première position de la soupape présente une plus grande résistance à l'écoulement que le passage fluidique reliant la première chambre à la première sortie dans la deuxième position de la soupape. On assure ainsi une perte de charge plus grande dans la deuxième position que dans la première position, et une différence de pression entre les deux sorties.
L'invention concerne également un appareil comportant un arbre rotatif avec au moins un palier de soutien, et, pour lubrifier ce palier, un dispositif de lubrification selon l'invention. En particulier, un tel appareil peut comporter en outre, dans ledit circuit d'alimentation, en amont de la vanne, une pompe d'alimentation actionnée par ledit arbre rotatif, afin d'assurer une alimentation en carburant liée à la rotation dudît arbre rotatif. Par « actionnée », on entend, dans le contexte de la présente invention, tant un actionnement mécanique direct, qu'un actionnement indirect, à travers une transmission mécanique, hydraulique, pneumatique, ou électrique. Avantageusement, le dispositif de lubrification peut alors être calibré pour ce qu'un régime de rotation de l'arbre rotatif auquel la soupape arrive à la deuxième position lors d'une montée en régime soit dans une plage comprise entre 20 et 35% d'un régime nominal de l'arbre rotatif, et/ou qu'un régime de rotation de l'arbre rotatif auquel la soupape retourne à la première position lors d'une descente en régime soit dans une plage comprise entre 15 et 30% d'un régime nominal de l'arbre rotatif. En arrêtant l'alimentation en lubrifiant à une vitesse de rotation encore relativement élevée, on évite plus sûrement l'accumulation de lubrifiant à bas régime.
La présente invention concerne aussi une turbomachine, en particulier pour un aéronef, tel qu'un hélicoptère, comportant un tel appareil. Une telle turbomachine présente des contraintes de vitesse de rotation, fiabilité, lubrification, et sécurité contre les incendies particulièrement élevées, contexte qui rend l'utilisation de l'invention particulièrement avantageuse.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels ;
- la figure 1 illustre schématiquement un aéronef propulsé par un un turbomoteur avec un dispositif de lubrification selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2a illustre une coupe longitudinale de la vanne de dérivation du dispositif de lubrification de la figure 1, avec la soupape en une première position ;
- la figure 2b illustre une autre coupe longitudinale de la vanne de la figure 2a, avec la soupape en une deuxième position ; - la figure 3a illustre une coupe longitudinale de la vanne de dérivation d'un dispositif de lubrification suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention, avec la soupape en une première position ;
- la figure 3b illustre une autre coupe longitudinale de la vanne de la figure 3a, avec la soupape en une deuxième position ;
- la figure 4a illustre une coupe longitudinale de la vanne de dérivation d'un dispositif de lubrification suivant un troisième mode de réalisation de l'invention, avec la soupape en une première position ;
- la figure 4b illustre une autre coupe longitudinale de la vanne de la figure 4a, avec la soupape en une deuxième position ;
- la figure 5 illustre de manière schématique une courbe de débit d'alimentation en lubrifiant par un dispositif de lubrification suivant un quelconque des modes de réalisation illustrés, en fonction de la pression d'alimentation.
La figure 1 illustre schématiquement un aéronef, plus précisément un hélicoptère 1, comportant un turbomoteur 2 avec un arbre moteur 3 rotatif soutenu par des paliers 4, et un dispositif de lubrification 5 pour lubrifier lesdits paliers 4.
Le dispositif de lubrification 5 comporte un réservoir de lubrifiant 6, un circuit d'alimentation 7 des paliers 4 en lubrifiant, un circuit de dérivation 8, une vanne 9 interposée entre le circuit d'alimentation 7 et le circuit de dérivation 8, et un circuit d'évacuation 10 du lubrifiant des paliers 4. Le circuit d'alimentation 8 comporte une pompe d'alimentation 11 volumétrique, actionnée par l'arbre moteur 3 à travers une transmission à accessoires 12 (en anglais ; « Accessory Gear Box » ou « AGB »). Le circuit d'évacuation 10 comporte une pompe d'évacuation 13, elle aussi volumétrique et actionnée par l'arbre moteur 3 à travers l'AGB 12. Les pompes d'alimentation 11 et évacuation 13 sont ainsi normalement coordonnées pour faire circuler sensiblement le même débit et éviter, à au moins un régime nominal, une accumulation ou un défaut de lubrifiant dans les paliers 4. Toutefois, aux bas régimes, il ne peut plus être assuré que ces débits resteront pareils. Il y a donc notamment un risque d'accumulation ou stagnation de lubrifiant dans les paliers 4. Pour éviter cela, le dispositif de lubrification 5 comporte la vanne de dérivation 9, pilotée par la pression d'alimentation. Cette vanne 9 est une vanne à trois voies et deux positions, avec une entrée IN reliée au circuit d'alimentation 7, une première sortie M reliée aux paliers 4 pour les alimenter en lubrifiant, et une deuxième sortie BP de dérivation du lubrifiant à travers le circuit de dérivation 8 vers le réservoir 6, directement, comme illustré, ou indirectement, à travers, par exemple, de l'AGB 12.
Un première variante de cette vanne 9 est illustré sur les figures 2a et 2b. La vanne 9 illustrée est du type dit « à tiroir », avec une soupape 14 coulissante dans un axe A entre deux positions dans une cavité 15 de la vanne 9. Dans cette cavité 15, la soupape 14 délimite deux chambres 16, 17, dont la première est en communication fluidique avec l'entrée IN et la deuxième est en communication fluidique, à travers un drain 18, avec la deuxième sortie BP de la vanne 9. La soupape 14 sépare les chambres 16,17 de manière sensiblement étanche, et présente du côté de la première chambre 16 une surface 19 d'actionnement hydraulique de la soupape en direction de la deuxième position, c'est-à-dire, dans le mode de réalisation illustré, en direction de la deuxième chambre 17. La soupape 14 présente aussi, du côté de la deuxième chambre 17, une surface 20 d'actionnement hydraulique de la soupape en direction de la première position, c'est-à-dire, dans le mode de réalisation illustré, en direction de la première chambre 16. La cavité 15 présente une première butée 21 déterminant la première position de la soupape 14, et une deuxième butée 22 en forme d'épaulement, opposée à la première, et déterminant, avec un épauîement 23 complémentaire dans la soupape 14, la deuxième position de la soupape. Un actionneur de rappel 26, sous forme d'un ressort élastique prenant appui sur un fond 25 de la cavité 15, pousse la soupape 14 en direction de la première position.
Le conduit de l'entrée IN est sensiblement dans l'axe de coulissement A. Par contre, les conduits des deux sorties M, BP sont sensiblement perpendiculaires à cet axe de coulissement A. La soupape 14 présente deux orifices 27, 28, s'alignant, respectivement, avec la première sortie M dans la deuxième position, et avec la deuxième sortie BP dans la première position, de manière à mettre la première chambre 16 de la cavité 15 en communication fluidique avec la sortie M ou BP respective. Le deuxième orifice 28 est plus étroit que le premier orifice 27, de manière à plus fortement restreindre l'écoulement de lubrifiant.
En fonctionnement, tant que la pression de l'entrée IN reste insuffisante pour déplacer la soupape 14 contre la force du ressort 26, la soupape 14 restera dans la première position, telle qu'illustrée sur la figure 2a, avec la première sortie M obturée par la soupape 14, et le deuxième orifice 28 de la soupape 14 aligné avec la deuxième sortie BP, de manière à dévier sensiblement tout le débit de lubrifiant vers le circuit de dérivation 8. A cause de la restriction de l'orifice 28, la perte de charge dans cet orifice 28 assure, dès qu'il y a un débit de lubrifiant, une moindre pression dans la deuxième sortie BP qu'à l'entrée IN. Comme la première chambre 16 est directement reliée à l'entrée IN, et la deuxième chambre 17 est reliée à la deuxième sortie BP à travers le drain 18, une différence de pression Δρ est établie entre les deux chambres 16,17, séparées par la soupape 14 de manière sensiblement étanche.
A partir d'une pression ou d'un débit à l'entrée IN, correspondant à un régime prédéterminé de rotation de l'arbre moteur supérieur, la différence de pression Δρ deviendra suffisante pour déplacer la soupape 14 vers la deuxième position illustrée sur la figure 2b contre le rappel de l'actionneur 26. Ainsi, le premier orifice 27 de la soupape 14 s'alignera progressivement avec la première sortie M, ouvrant graduellement le passage fluidique de l'entrée IN et la première chambre 16 vers cette première sortie M. Quand la soupape 14 arrive à la deuxième position illustrée sur la figure 2b, sensiblement tout le débit de lubrifiant fourni par le circuit d'alimentation 7 à travers l'entrée IN de la vanne 9 est transmis aux paliers 4 pour leur lubrification. Le deuxième orifice 28 de la soupape 14 n'étant plus aligné avec le conduit de la deuxième sortie BP, le passage fluidique entre la première chambre 16 et cette deuxième sortie BP est obturé. Par contre, la communication fluidique entre la deuxième sortie BP et la deuxième chambre 17 est maintenue à travers le drain 18. Ainsi, la i l
pression agissant sur toute la surface d'actionnement hydraulique 20 reste celle de la deuxième sortie BP.
Si la pression ou le débit d'alimentation descendent en dessous d'un seuil prédéterminé, par exemple parce que le régime de l'arbre moteur 3 actionnant les pompes 11 et 13 diminue, la différence de pression Δρ entre les deux chambres 16,17 deviendra à nouveau insuffisante pour maintenir la soupape 14 dans sa deuxième position contre le rappel du ressort 26. En conséquence, la soupape 14 retournera vers la première position illustrée sur la figure 2a, refermant progressivement le passage vers la première sortie M, et rouvrant celui vers la deuxième sortie BP et le circuit de dérivation 10.
Ainsi, lors d'un arrêt progressif du turbopropulseur 2, quand la vitesse de rotation de l'arbre moteur 3 arrive en dessous d'une valeur prédéterminée, le débit fourni par la pompe d'alimentation 11 ne va plus être suffisant pour maintenir une différence de pression Δρ entre les deux chambres 16,17 suffisante pour maintenir la soupape 14 dans sa deuxième position, et le débit de lubrifiant fourni par le circuit d'alimentation 7 va être détourné vers le circuit de dérivation. Comme toutefois la pompe d'évacuation 13 continue à évacuer le lubrifiant des paliers 4 à travers le circuit d'évacuation 10, le dispositif de lubrification 5 limite ainsi la quantité de lubrifiant qui restera dans les paliers 4 après l'arrêt moteur, évitant ainsi la cokéfaction et les fuites, et limitant le risque d'incendie posé par ce lubrifiant dans les paliers 4. Notamment, grâce à la vanne 9, la certification de résistance au feu des équipements en aval de la sortie M de la vanne 9 suivant la norme EASA CS-E 570 pourrait être réduite à un essai de 5 minutes (« fire résistant »), au lieu de 15 minutes (« fire proof »).
D'autres variantes de la vanne 9, pour des modes de réalisation alternatifs d'un dispositif de lubrification suivant l'invention, sont illustrées sur les figures 3a à 4b. La vanne 9 illustrée sur les figures 3a et 3b est essentiellement équivalente à celle des figures 2a et 2b, et les éléments correspondants de cette vanne reçoivent les mêmes chiffres de référence dans les dessins. Cette vanne 9 se distingue principalement de celle du premier mode de réalisation en ce que, ni la soupape 14, ni l'alésage de la cavité 15 ne présentent d'épaulements, simplifiant ainsi sa production. Dans sa première position, illustrée sur la figure 3a, la soupape 14 est en butée contre la butée 21, tandis que dans sa deuxième position, illustrée sur la figure 3b, elle est en butée contre une protubérance 24' formée sur le fond 25 de la cavité 15. Son fonctionnement est identique à celui de la vanne illustrée sur les figures 2a et 2b, et elle pourrait être utilisée de la même manière dans le dispositif de lubrification 5 de la figure 1.
La vanne 9 illustrée sur les figures 4a et 4b est aussi essentiellement équivalente à celle des figures 2a et 2b, et les éléments correspondants de cette vanne reçoivent les mêmes chiffres de référence dans les dessins. Cette troisième variante de la vanne 9 est encore simplifiée par rapport à la deuxième variante. Notamment, la soupape 14 ne présente qu'un seul orifice radial 28, aligné dans la première position illustrée sur la figure 4a avec un orifice 29 correspondant dans une chemise 30 reçue dans un alésage élargi de la cavité 15. Cet alésage élargi est en communication fluidique avec la deuxième sortie BP de la vanne 9, de telle manière que lorsque, dans ladite première position l'orifice 28 de la soupape 14 et l'orifice 29 de la chemise 30 sont alignés, ils mettent la première chambre 16 de la vanne 9 en communication fluidique avec ladite deuxième sortie BP. La chemise 30 présente aussi un deuxième orifice 31 assurant la communication fluidique de la deuxième chambre 17 avec la deuxième sortie BP même dans la deuxième position de la soupape 14 illustrée sur la figure 4b. Dans cette deuxième position, le déplacement de la soupape 14 par rapport à la première position libère le passage fluidique de la première chambre 16 à la première sortie M de la vanne 9. Le fonctionnement de cette vanne 9 est en conséquence aussi essentiellement équivalent à celui des deux premières variantes, et elle pourrait être utilisée de la même manière dans le dispositif de lubrification 5 de la figure 1. Ainsi, grâce à chacune de ces trois variantes de la vanne 9, il est possible de fournir aux paliers 4 du turbomoteur 2 un débit de lubrifiant dV/dt en fonction de la vitesse N de rotation de l'arbre moteur 3 tel que représenté sur le graphique de la figure 5, avec une hystérèse h minimale entre la courbe de régime moteur ascendant 50, et celle de régime moteur descendant 51, dans une plage de transition entre un régime minimal Na(min de fermeture complète de la sortie M de la vanne 9, et un régime N3,max d'ouverture complète de la sortie M de la vanne 9. De préférence, Na,min peut être dans une plage d'entre 15 et 30% du régime nominal Ng du turbomoteur 2, et Na,max peut être dans une plage d'entre 20 et 35% du régime nominal Ng du turbomoteur 2.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des éléments et caractéristiques isolés de différents des modes de réalisation illustrés pourraient être combinés dans un nouveau mode de réalisation. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Un dispositif de lubrification (5) comportant :
un circuit d'alimentation (7) en lubrifiant ;
un circuit de dérivation (8) ; et
une vanne (9) interposée entre le circuit d'alimentation (7) et le circuit de dérivation (8) et comportant :
une entrée (IN) reliée audit circuit d'alimentation
(7) ;
une première sortie (M) apte à être reliée à des éléments à lubrifier ;
une deuxième sortie (BP) reliée au circuit de dérivation (8) ;
une soupape (14) logée dans une cavité (15) de la vanne (9) et délimitant une première chambre (16) d'une deuxième chambre (17), ladite première chambre (16) étant reliée à l'entrée (IN), ladite soupape (14) étant apte à coulisser entre une première position et une deuxième position, et présentant du côté de la première chambre (16) une surface (19) d'actionnement hydraulique vers la deuxième position, et du côté de la deuxième chambre (17) une surface (20) d'actionnement hydraulique vers la première position ; et
un actionneur (26) de rappel de la soupape (14) vers la première position ; et où
dans ladite première position, un passage fluidique de la première chambre (16) à la deuxième sortie (BP) est ouvert, tandis qu'un passage fluidique de la première chambre (16) à la première sortie (M) est fermé, et,
dans la deuxième position, le passage fluidique de la première chambre (16) à la première sortie (M) est ouvert, tandis que le passage fluidique de la première chambre (16) à la deuxième sortie (BP) est fermé ;
ce dispositif de lubrification étant caractérisé en ce que, au moins dans la deuxième position, la soupape (14) sépare lesdites première et deuxième chambres (16,17) de manière sensiblement étanche, tandis que la " deuxième chambre (17) reste en communication fluidique avec la deuxième sortie (BP).
2. Dispositif de lubrification (5) selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit d'alimentation (7) en lubrifiant comporte une pompe d'alimentation (11) disposé en amont de la vanne (9).
3. Dispositif de lubrification (5) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comportant en outre un circuit d'évacuation (10) de lubrifiant pour récupérer le lubrifiant des éléments à lubrifier.
4. Dispositif de lubrification (5) selon la revendication 3, dans lequel ledit circuit d'évacuation (10) de lubrifiant comporte une pompe d'évacuation (13).
5. Dispositif de lubrification (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le passage fluidique reliant la première chambre (16) à la deuxième sortie (BP) dans la première position présente une plus grande résistance à l'écoulement que le passage fluidique reliant la première chambre (16) à la première sortie (BP) dans la deuxième position.
6. Appareil comportant :
un arbre rotatif (3) avec au moins un palier (4) de soutien ; et un dispositif de lubrification (5) selon une quelconque des revendications 1 à 5 pour lubrifier ledit au moins un palier (4).
7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, dans ledit circuit d'alimentation (7), en amont de la vanne (9), une pompe d'alimentation (11) actionnée par ledit arbre rotatif
(3).
8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est calibré pour ce qu'un régime de rotation (N3,max) de l'arbre rotatif (3) auquel la soupape (14) arrive à la deuxième position lors d'une montée en régime soit dans une plage comprise entre 20 et 35% d'un régime nominal (Ng) de l'arbre rotatif (3).
9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il est calibré pour ce qu'un régime de rotation (Na,ÎT,in) de l'arbre rotatif (3) auquel la soupape (14) retourne à la première position lors d'une descente en régime soit dans une plage comprise entre 15 et 30% d'un régime nominal (Ng) de l'arbre rotatif (3).
10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit d'évacuation (10) de lubrifiant en aval dudit palier (4), avec au moins une pompe d'évacuation (13) actionnée par ledit arbre rotatif (3).
11. Turbomachine comportant un appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 10.
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