WO2025202095A1 - Système de refroidissement et de lubrification d'un palier de turbomachine d'aéronef et son procédé d'utilisation - Google Patents

Système de refroidissement et de lubrification d'un palier de turbomachine d'aéronef et son procédé d'utilisation

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degassing
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Florian Steiner
Hugues Louis Gilbert BARBIER
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Safran Aircraft Engines SAS
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Definitions

  • the present invention relates to the field of aircraft turbomachines and more specifically relates to a system for cooling and lubricating one or more bearings and its method of use.
  • an aircraft turbomachine extends along a longitudinal axis and allows the aircraft to be moved from a flow of air circulating from front to rear in the turbomachine during a thrust phase.
  • the aircraft turbomachine comprises from front to rear one or more compressors, a combustion chamber and one or more turbines. Each turbine is rotationally fixed to a compressor via a shaft extending along the longitudinal axis.
  • the aircraft turbomachine typically comprises a low-pressure shaft, connecting a low-pressure compressor and a low-pressure turbine, and a high-pressure shaft, surrounding the low-pressure shaft and connecting a high-pressure turbine and a high-pressure compressor.
  • the low-pressure shaft and the high-pressure shaft are supported at the front and rear by bearings, for example of the ball or roller bearing type, which must be lubricated and cooled. It is known for this to house the bearings in enclosures inside which they are bathed in an oil mist. Each enclosure typically comprises a stator wall extending around the rotating shaft and the bearing as well as seals between the stator wall and the rotating shaft, for example one at the front and one at the rear.
  • the oil is supplied by a supply circuit and discharged by gravity. Passages, typically formed in the labyrinth-type seals, allow the admission of pressurized air, in particular taken from the compressor, in order to confine the oil in the bearing enclosure.
  • the air loaded with suspended oil droplets is evacuated into a degassing tube and guided to a centrifugal separator to recover the oil.
  • the oil present in the degassing tube is likely to form a coke deposit on the walls, which reduces the internal section and increases the pressure losses undesirably.
  • Such a coking phenomenon is particularly likely to be observed for bearings mounted at the rear of the aircraft turbomachine whose degassing tube is mounted in a turbine casing arm crossing the air stream to reach the centrifugal separator in the accessory relay box located in the nacelle surrounding the aircraft turbomachine.
  • the invention thus aims to limit pressure losses in the degassing tube to promote sealing in the bearing enclosure of an aircraft turbomachine.
  • the control line advantageously allows for simple and practical regulation of the quantity of cooling and lubricating fluid, typically oil, which is discharged into the degassing circuit, in particular according to the speed of the aircraft turbomachine.
  • the open position of the valve is particularly suitable for high speeds of the aircraft turbomachine, because the oil taken from the supply circuit allows the oil-laden air circulating in the degassing circuit to be cooled and thus effectively reduces the risk of coking when the oil is exposed to high temperatures. This prevents the formation of a coke deposit on the walls of the degassing circuit, which allows a large flow section to be maintained with minimal pressure losses.
  • the sealing of the internal volume ensured by the pressurized air is thus optimal.
  • the closed position of the valve is suitable for low speeds of the aircraft turbomachine, for which a low oil flow rate in the degassing circuit makes it possible to limit pressure losses and therefore ensure good sealing in the bearing enclosure. Thanks to the pilot line which provides additional oil during high speeds of the aircraft turbomachine, the pressurization circuit supplying the internal volume with air can advantageously be undersized compared to the prior art.
  • the cooling and lubrication system comprises a passive type control member for the open position and the closed position of the valve. This makes it possible to regulate the quantity of oil in the degassing circuit in a simple, practical and inexpensive manner.
  • control member is configured to control the open position of the valve when the pressure of the cooling and lubricating fluid in the supply circuit or in the pilot line upstream of the valve is greater than a predetermined threshold. This corresponds to high speeds. This makes it possible to control the opening of the valve as a function of the speed of the aircraft turbomachine in a passive manner.
  • the pilot line extends into the bearing enclosure to reduce the space requirement and the quantity of piping.
  • control line opens into the internal volume, opposite an inlet of the degassing circuit.
  • a control line is advantageously simple to integrate into the bearing enclosure.
  • the outlet of the control line is typically equipped with a nozzle which can be mounted projecting opposite the inlet of the degassing circuit to direct the cooling and lubricating fluid there.
  • control line extends outside the bearing enclosure so as not to increase the size of the bearing enclosure.
  • control line connects the supply circuit and the degassing circuit in parallel with the internal volume.
  • the output of the control line typically a nozzle, opens directly into the degassing circuit, downstream of the inlet.
  • the cooling and lubricating fluid circulates from upstream to downstream in the supply circuit, the pilot line opening into the supply circuit upstream of at least one heat exchanger of the supply circuit with a fuel circuit of the aircraft turbomachine.
  • the oil taken by the pilot line to reach the degassing circuit is thus sufficiently cold to avoid the occurrence of coking.
  • the reduction in the temperature of the air-oil mixture in the degassing circuit is beneficial for the efficiency of the separator, reducing oil consumption despite the increase in the flow rate of oil that the separator has to treat.
  • control line opens into the degassing circuit at a distance from the inlet of the degassing circuit of less than 50 mm, and preferably greater than 5 mm. This makes it possible to limit pressure losses from the inlet of the degassing circuit.
  • control line comprises a nozzle configured to vaporize the cooling and lubricating fluid supplying the degassing circuit. This makes it possible to inject the oil in the form of droplets into the degassing circuit.
  • the degassing circuit is more likely to be exposed to high temperatures.
  • the invention advantageously makes it possible to effectively reduce the risk of coking.
  • the degassing circuit is more likely to be exposed to high temperatures.
  • the invention advantageously makes it possible to effectively reduce the risk of coking.
  • the invention also relates to a method of using a cooling and lubrication system as described above, in which the valve is initially in the closed position to prohibit the admission of the cooling and lubricating fluid into the degassing circuit, the method of use consisting of controlling the open position of the valve, to authorize the admission of the cooling and lubricating fluid into the degassing circuit.
  • the method of use also consists, when the valve is in the open position of the valve to allow the admission of the cooling and lubricating fluid into the degassing circuit, in controlling the closed position to prohibit the admission of the cooling and lubricating fluid into the degassing circuit.
  • the aircraft turbomachine 30 comprises a low-pressure shaft 5, connecting a low-pressure compressor 31 and a low-pressure turbine 34, and a high-pressure shaft 6, surrounding the low-pressure shaft 5 and connecting a high-pressure turbine 33 and a high-pressure compressor 32.
  • the low-pressure shaft 5 and the high-pressure shaft 6 are supported at the front and rear by bearings 3, for example of the ball-bearing or roller-bearing type. Only one bearing 3 at the rear of the aircraft turbomachine 30 is shown in the , but the invention applies to any bearing 3 for supporting any shaft 5, 6 of the aircraft turbomachine 30. The invention also applies to several neighboring bearings 3.
  • the integration of a control line 10 equipped with a valve 11 between the supply circuit 9 and the degassing circuit 14 advantageously makes it possible to regulate the quantity of oil H discharged into the degassing circuit 14 in a simple and practical manner, in particular as a function of the speed of the aircraft turbomachine 30.
  • the open position O of the valve 11 is particularly suitable for high speeds of the aircraft turbomachine 30, because the oil H taken from the supply circuit 9 makes it possible to cool the air loaded with oil AH circulating in the degassing circuit 14 and thus effectively reduces the risk of coking when the oil H is exposed to high temperatures, in particular above 250°C, preferably 300°C. This prevents the formation of a coke deposit on the walls of the degassing circuit 14, which makes it possible to maintain a large passage section with minimal pressure losses.
  • the sealing of the internal volume V ensured by the pressurized air A is thus optimal.
  • the closed position F of the valve 11 is suitable for the low speeds of the aircraft turbomachine 30, for which a low flow rate of oil H in the degassing circuit 14 makes it possible to limit the pressure losses and therefore to ensure good sealing in the bearing enclosure 2. Thanks to the control line 10 which provides additional oil H during the high speeds of the aircraft turbomachine 30, the pressurization circuit supplying the internal volume with air can advantageously be undersized compared to the prior art.
  • the bearing enclosure 2 comprises a stator wall 4 extending around the shaft 5, 6 of the aircraft turbomachine 30 and the bearing 3, delimiting the internal volume V.
  • the bearing 3 comprises a stator support element secured to the stator wall 4 and a rotor guide element driven in rotation by the shaft 5, 6.
  • the bearing enclosure 2 also comprises seals 7, in particular of the dynamic type, typically of the labyrinth type, between the stator wall 4 and the shaft 5, 6, for example one at the front and one at the rear as illustrated in the
  • the air intake passages 8 A are typically formed in the labyrinth-type seals 7 and allow air A to be admitted under pressure, in particular taken from the compressor 31, 32, in order to confine the oil H in the bearing enclosure 2.
  • the oil H supply circuit 9 conventionally comprises, from upstream to downstream in the direction of circulation of the oil H, a reservoir 20, a supply pump 21, preferably a filter (not shown), one or more heat exchangers of the air/oil H type or oil H/fuel type, and an outlet 24 typically provided with a nozzle.
  • the nozzle makes it possible to supply the internal volume V with oil H.
  • a main exchanger 22 of the oil H/fuel type (“Fuel Cooled Oil Cooler FCOC”) and a secondary exchanger 23 of the oil H/fuel type are shown from upstream to downstream. These exchangers 22 and 23 are optional, and it is also possible to have an exchanger 22 without the presence of an exchanger 23.
  • the oil H/fuel type exchanger 23 is preferably dedicated to cooling the fuel by the oil under certain conditions.
  • OCFC Oil Cooled Fuel Cooler
  • the cooling and lubrication system 1 also conventionally comprises an evacuation circuit 17 configured to evacuate by gravity the oil H accumulated against the stator wall 4.
  • the evacuation circuit 17 conventionally comprises, from upstream to downstream in the direction of circulation of the oil H, a pump (not shown) and a separator 18 adapted to remove the air A contained in the oil H and known to those skilled in the art under the term “oil deaerator”.
  • the separator 18 is for example arranged at the inlet of the reservoir 20 for the return of the oil H.
  • the oil H returned to the reservoir 20 is then reinjected into the supply circuit 9 via the supply pump 21, while the air A is evacuated outside the aircraft turbomachine 30.
  • the degassing circuit 14 makes it possible to evacuate the air loaded with oil AH from the internal volume V.
  • the degassing circuit 14 comprises a separator 16 adapted to extract the oil droplets H contained in the air and known to those skilled in the art under the term “air de-oiler”.
  • the separator 16 of the degassing circuit 14 is preferably of the centrifugal type and known to those skilled in the art under the term “rotor de-oiler”.
  • the separator 16 of the degassing circuit 14 is mounted in the nacelle 35 surrounding the aircraft turbomachine 30 and is rotated by an accessory gearbox 36 (“accessory gearbox AGB”).
  • accessory gearbox AGB accessory gearbox 36
  • the degassing circuit 14 extends in a turbine casing arm 37 extending radially in the air stream 38 behind the low-pressure turbine 34. Due to its location in the air stream 38, such a turbine casing arm 37 is likely to be exposed to high temperatures and the integration of a control line 10 according to the invention is particularly advantageous for avoiding coking.
  • control line 10 is supplied at the inlet by the supply circuit 9 and opens at the outlet towards the degassing circuit 14.
  • the control line 10 makes it possible in practice to take a portion of the oil H, initially intended to supply the internal volume V, to inject it directly into the degassing circuit 14, preferably using a nozzle 13 positioned at the outlet of the control line 10.
  • control line 10 connects the supply circuit 9 and the degassing circuit 14. Still in this example, the control line 10 is positioned outside the internal volume V. The control line 10 thus opens into the supply circuit 9 upstream of the outlet 24 in the internal volume V.
  • control line 10 preferably opens upstream of the inlet 15 of the degassing circuit 14, preferably at a distance d less than 50 mm and greater than 5 mm. This makes it possible to reduce the pressure losses over the entire degassing circuit 14.
  • valve 11 is mounted on the pilot line 10 and allows the circulation of the oil H in the open position O shown in the , and to prohibit the circulation of oil H in the closed position F shown on the
  • the valve 11 preferably has only two positions, namely the open position O and the closed position F.
  • control line 10 is positioned in the bearing enclosure 2 and connects the supply circuit 9 and the degassing circuit 14.
  • the control line 10 opens at the inlet in this example upstream of the outlet 24 of the supply circuit 9 and downstream of the inlet 15 of the degassing circuit 14.
  • the control line 10 makes it possible to take a portion of the oil H, initially intended to supply the internal volume V, to inject it directly into the degassing circuit 14. Such an assembly reduces the size as well as the quantity of piping.
  • pilot line 10 opens into the internal volume V opposite the inlet 15 of the degassing circuit 14.
  • a pilot line 10 is simple and practical to integrate into the bearing enclosure 2, the nozzle 13 being able in particular to be mounted protruding.
  • the distance d between the outlet of the pilot line 10 and the inlet 15 of the degassing circuit 14 is less than 50 mm and preferably greater than 5 mm. This makes it possible to effectively direct the oil H from the pilot line 10 into the degassing circuit 14.

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Abstract

Un système de refroidissement et de lubrification (1) d'un palier de turbomachine d'aéronef (30) comprenant : - une enceinte de palier (2) délimitant un volume interne (V) et comprenant un passage d'admission (8) d'air, - un circuit d'alimentation (9) du volume interne (V) en fluide de refroidissement et de lubrification, - un circuit de dégazage (14) configuré pour évacuer l'air chargé en fluide de refroidissement et de lubrification hors du volume interne (V) vers un séparateur (16), - une ligne de pilotage (10) alimentée par le circuit d'alimentation (9) et débouchant vers le circuit de dégazage (14), la ligne de pilotage (10) comprenant une vanne commandable dans une position ouverte et dans une position fermée pour respectivement autoriser et interdire l'admission du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit de dégazage (14).

Description

Système de refroidissement et de lubrification d’un palier de turbomachine d’aéronef et son procédé d’utilisation
La présente invention concerne le domaine des turbomachines d’aéronef et vise plus précisément un système de refroidissement et de lubrification d’un ou de plusieurs paliers et son procédé d’utilisation.
De manière connue, une turbomachine d’aéronef s’étend selon un axe longitudinal et permet de déplacer l’aéronef à partir d’un flux d’air circulant d’avant en arrière dans la turbomachine lors d’une phase de poussée. La turbomachine d’aéronef comprend d’avant en arrière un ou plusieurs compresseurs, une chambre de combustion et une ou plusieurs turbines. Chaque turbine est solidaire en rotation d’un compresseur via un arbre s’étendant selon l’axe longitudinal. La turbomachine d’aéronef comprend typiquement un arbre basse pression, reliant un compresseur basse pression et une turbine basse pression, et un arbre haute pression, entourant l’arbre basse pression et reliant une turbine haute pression et un compresseur haute pression.
En pratique, l’arbre basse pression et l’arbre haute pression sont supportés à l’avant et à l’arrière par des paliers, par exemple de type à roulement à billes ou à rouleaux, qui doivent être lubrifiés et refroidis. Il est connu pour cela de loger les paliers dans des enceintes à l’intérieur desquelles ils sont baignés dans un brouillard d’huile. Chaque enceinte comprend typiquement une paroi statorique s’étendant autour de l’arbre rotatif et du palier ainsi que des joints d’étanchéité entre la paroi statorique et l’arbre rotatif, par exemple un à l’avant et un à l’arrière. L’huile est fournie par un circuit d’alimentation et évacuée par gravité. Des passages, typiquement formés dans les joints d’étanchéité de type labyrinthe, permettent d’admettre de l’air sous pression, notamment prélevé au niveau du compresseur, afin de confiner l’huile dans l’enceinte de palier. L’air chargé en gouttelettes d’huile en suspension est évacué dans un tube de dégazage et guidé vers un séparateur centrifuge permettant de récupérer l’huile.
En pratique, les gouttelettes d’huile en suspension évacuées dans le tube de dégazage entraînent des pertes de charge dans le tube de dégazage qui augmentent la pression dans l’enceinte de palier. Ceci réduit la différence de pression au niveau des joints d’étanchéité et a pour effet de réduire l’étanchéité de manière indésirable. Il est donc souhaité de réduire la quantité d’huile évacuée via le tube de dégazage. Ceci permet également de réduire la consommation d’huile et ainsi d’espacer les pleins.
Par ailleurs, en présence de fortes températures supérieures à 250°C, l’huile présente dans le tube de dégazage est susceptible de former un dépôt de coke sur les parois, ce qui réduit la section interne et augmente les pertes de charge de manière indésirable. Un tel phénomène de cokéfaction est notamment susceptible d’être observé pour les paliers montés à l’arrière de la turbomachine d’aéronef dont le tube de dégazage est monté dans un bras de carter de turbine traversant la veine d’air pour rejoindre le séparateur centrifuge dans le boîtier de relais d’accessoires situé dans la nacelle entourant la turbomachine d’aéronef.
Il est connu par la demande de brevet FR3111164A1 d’utiliser une lame rotative pour râcler le dépôt de coke en arrière du séparateur centrifuge. Ceci n’empêche toutefois pas la formation de coke dans le tube de dégazage. Il est également connu par la demande FR3133887A1 un système de dégazage d’une enceinte palier comprenant un conduit d’évacuation principale d’une première fraction d’un mélange air-lubrifiant et un conduit de récupération du lubrifiant et d’une deuxième fraction du mélange air-lubrifiant rejoignant au moins en partie le conduit d’évacuation principale.
L’invention vise ainsi à limiter les pertes de charge dans le tube de dégazage pour favoriser l’étanchéité dans l’enceinte de palier d’une turbomachine d’aéronef.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un système de refroidissement et de lubrification d’au moins un palier de turbomachine d’aéronef comprenant :
  • une enceinte de palier délimitant un volume interne dans lequel s’étend le palier, l’enceinte de palier comprenant au moins un passage d’admission d’air dans le volume interne,
  • un circuit d’alimentation configuré pour alimenter le volume interne avec un fluide de refroidissement et de lubrification, et
  • un circuit de dégazage configurée pour évacuer l’air chargé en fluide de refroidissement et de lubrification hors du volume interne, le circuit de dégazage comprenant un séparateur configuré pour extraire le fluide de refroidissement et de lubrification dans l’air chargé en fluide de refroidissement et de lubrification.
L’invention est remarquable en ce que le système de refroidissement et de lubrification comprend une ligne de pilotage alimentée par le circuit d’alimentation et débouchant vers le circuit de dégazage, la ligne de pilotage comprenant une vanne commandable :
  • dans une position ouverte, pour autoriser l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit de dégazage, et
  • dans une position fermée, pour interdire l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit de dégazage.
La ligne de pilotage permet avantageusement de réguler de manière simple et pratique la quantité de fluide de refroidissement et de lubrification, typiquement de l’huile, qui est évacuée dans le circuit de dégazage, notamment en fonction du régime de la turbomachine d’aéronef. La position ouverte de la vanne est particulièrement adaptée pour les hauts régimes de la turbomachine d’aéronef, car l’huile prélevée dans le circuit d’alimentation permet de refroidir l’air chargé en huile circulant dans le circuit de dégazage et réduit ainsi efficacement le risque de cokéfaction lorsque l’huile est exposée à de fortes températures. Ceci évite de former un dépôt de coke sur les parois du circuit de dégazage ce qui permet de conserver une section de passage importante avec des pertes de charge minimales. L’étanchéité du volume interne assurée par l’air sous pression est ainsi optimale.
La position fermée de la vanne est quant à elle adaptée pour les bas régimes de la turbomachine d’aéronef, pour lesquels un faible débit d’huile dans le circuit de dégazage permet de limiter les pertes de charge et donc d’assurer une bonne étanchéité dans l’enceinte de palier. Grâce à la ligne de pilotage qui fournit un complément d’huile lors des hauts régimes de la turbomachine d’aéronef, le circuit de pressurisation alimentant le volume interne en air peut avantageusement être sous-dimensionné par rapport à l’art antérieur.
Selon un aspect de l’invention, le système de refroidissement et de lubrification comprend un organe de commande de type passif de la position ouverte et de la position fermée de la vanne. Ceci permet de réguler la quantité d’huile dans le circuit de dégazage de manière simple, pratique et peu coûteuse.
Selon un aspect de l’invention, l’organe de commande est configuré pour commander la position ouverte de la vanne lorsque la pression du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit d’alimentation ou dans la ligne de pilotage en amont de la vanne est supérieure à un seuil prédéterminé. Cela correspond aux hauts régimes. Ceci permet de contrôler l’ouverture de la vanne en fonction du régime de la turbomachine d’aéronef de manière passive.
Selon un aspect de l’invention, la ligne de pilotage s’étend dans l’enceinte de palier pour réduire l’encombrement et la quantité de canalisations.
Selon un aspect de l’invention, la ligne de pilotage débouche dans le volume interne, en vis-à-vis d’une entrée du circuit de dégazage. Une telle ligne de pilotage est avantageusement simple d’intégration dans l’enceinte de palier. La sortie de la ligne de pilotage est typiquement équipée d’un gicleur qui peut être monté en saillie en face de l’entrée du circuit de dégazage pour y diriger le fluide de refroidissement et de lubrification.
Selon un autre aspect de l’invention, la ligne de pilotage s’étend hors de l’enceinte de palier pour ne pas augmenter l’encombrement de l’enceinte de palier.
Selon un aspect de l’invention, la ligne de pilotage relie le circuit d’alimentation et le circuit de dégazage en parallèle du volume interne. La sortie de la ligne de pilotage, typiquement un gicleur, débouche directement dans le circuit de dégazage, en aval de l’entrée.
Selon un aspect préféré de l’invention, le fluide de refroidissement et de lubrification circule d’amont en aval dans le circuit d’alimentation, la ligne de pilotage débouchant dans le circuit d’alimentation en amont d’au moins un échangeur de chaleur du circuit d’alimentation avec un circuit de carburant de la turbomachine d’aéronef. L’huile prélevée par la ligne de pilotage pour rejoindre le circuit de dégazage est ainsi suffisamment froide pour éviter l’apparition de cokéfaction. De plus, la réduction de la température du mélange air-huile dans le circuit de dégazage est bénéfique pour l’efficacité du séparateur, réduisant la consommation d’huile malgré l’augmentation du débit d’huile que le séparateur a à traiter.
Selon un aspect de l’invention, la ligne de pilotage débouche dans le circuit de dégazage à une distance de l’entrée du circuit de dégazage inférieure à 50mm, et de préférence supérieure à 5mm. Ceci permet de limiter les pertes de charge dès l’entrée du circuit de dégazage.
Selon un aspect de l’invention, la ligne de pilotage comprend un gicleur configuré pour vaporiser le fluide de refroidissement et de lubrification alimentant le circuit de dégazage. Ceci permet d’injecter l’huile sous forme de gouttelettes dans le circuit de dégazage.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant :
  • une veine d’air s’étendant selon un axe longitudinal orienté d’avant en arrière selon le sens de circulation d’un flux d’air lors d’une phase de poussée de la turbomachine d’aéronef,
  • au moins une turbine, et
  • au moins un système de refroidissement et de lubrification tel que décrit précédemment s’étendant en arrière de la turbine.
Dans un tel système de refroidissement et de lubrification, le circuit de dégazage est plus susceptible d’être exposé à de fortes températures. L’invention permet avantageusement d’y réduire efficacement le risque de cokéfaction.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant :
  • une veine d’air s’étendant selon un axe longitudinal orienté d’avant en arrière selon le sens de circulation d’un flux d’air lors d’une phase de poussée de la turbomachine d’aéronef,
  • au moins une turbine et au moins un bras s’étendant radialement dans la veine d’air en arrière de la turbine,
  • au moins un système de refroidissement et de lubrification tel que décrit précédemment, le circuit de dégazage traversant le bras.
Dans un tel système de refroidissement et de lubrification, le circuit de dégazage est plus susceptible d’être exposé à de fortes températures. L’invention permet avantageusement d’y réduire efficacement le risque de cokéfaction.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un système de refroidissement et de lubrification tel que décrit précédemment, dans lequel la vanne est initialement dans la position fermée pour interdire l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit de dégazage, le procédé d’utilisation consistant à commander la position ouverte de la vanne, pour autoriser l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit de dégazage.
Selon un aspect de l’invention, le procédé d’utilisation consiste également, lorsque la vanne est dans la position ouverte de la vanne pour autoriser l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit de dégazage, à commander la position fermée pour interdire l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification dans le circuit de dégazage.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique en coupe longitudinale d’une turbomachine d’aéronef comprenant un système de refroidissement et de lubrification d’un palier selon une forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique du système de refroidissement et de lubrification de la .
La est une représentation schématique de la ligne de pilotage du système de refroidissement et de lubrification de la avec la vanne dans une position ouverte.
La est une représentation schématique de la ligne de pilotage du système de refroidissement et de lubrification de la avec la vanne dans une position fermée.
La est une représentation schématique de la ligne de pilotage du système de refroidissement et de lubrification avec une ligne de pilotage selon une autre forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique de la ligne de pilotage du système de refroidissement et de lubrification avec une ligne de pilotage selon une autre forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique en coupe longitudinale d’une turbomachine d’aéronef comprenant un système de refroidissement et de lubrification d’un palier selon une autre forme de réalisation de l’invention.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à la , l’invention concerne une turbomachine d’aéronef 30 comprenant un système de refroidissement et de lubrification 1 d’un ou de plusieurs paliers 3. La turbomachine d’aéronef 30 s’étend classiquement selon un axe longitudinal X et permet de déplacer l’aéronef à partir d’un flux d’air circulant d’avant en arrière dans la turbomachine 30 lors d’une phase de poussée. La turbomachine d’aéronef 30 comprend typiquement d’avant en arrière un ou plusieurs compresseurs 31, 32, une chambre de combustion et une ou plusieurs turbines 33, 34. Chaque turbine 33, 34 est solidaire en rotation d’un compresseur 31, 32 via un arbre 5, 6 s’étendant selon l’axe longitudinal X. Dans cet exemple, la turbomachine d’aéronef 30 comprend un arbre basse pression 5, reliant un compresseur basse pression 31 et une turbine basse pression 34, et un arbre haute pression 6, entourant l’arbre basse pression 5 et reliant une turbine haute pression 33 et un compresseur haute pression 32. L’arbre basse pression 5 et l’arbre haute pression 6 sont supportés à l’avant et à l’arrière par des paliers 3 par exemple de type à roulement à billes ou à rouleaux. Seul un palier 3 à l’arrière de la turbomachine d’aéronef 30 est représenté sur la , mais l’invention s’applique à tout palier 3 de support d’un arbre 5, 6 quelconque de la turbomachine d’aéronef 30. L’invention s’applique également à plusieurs paliers 3 voisins.
Selon l’invention et en référence aux figures 1 et 2, le système de refroidissement et de lubrification 1 comprend :
  • une enceinte de palier 2 délimitant un volume interne V dans lequel s’étend le palier 3 (ou plusieurs paliers 3 voisins) et comprenant un ou plusieurs passages d’admission 8 d’air A dans le volume interne V,
  • un circuit d’alimentation 9 configuré pour alimenter le volume interne V avec un fluide de refroidissement et de lubrification H, typiquement de l’huile,
  • un circuit de dégazage 14 configuré pour évacuer l’air chargé en huile AH hors du volume interne V, et comprenant un séparateur 16 configuré pour extraire l’huile H dans l’air chargé en huile AH,
  • une ligne de pilotage 10 alimentée par le circuit d’alimentation 9 et débouchant vers le circuit de dégazage 14, la ligne de pilotage 10 comprenant une vanne 11 commandable, dans une position ouverte O, pour autoriser l’admission de l’huile H dans le circuit de dégazage 14, et dans une position fermée F, pour interdire l’admission de l’huile H dans le circuit de dégazage 14.
L’intégration d’une ligne de pilotage 10 équipée d’une vanne 11 entre le circuit d’alimentation 9 et le circuit de dégazage 14 permet avantageusement de réguler la quantité d’huile H évacuée dans le circuit de dégazage 14 de manière simple et pratique, notamment en fonction du régime de la turbomachine d’aéronef 30. La position ouverte O de la vanne 11 est particulièrement adaptée pour les hauts régimes de la turbomachine d’aéronef 30, car l’huile H prélevée dans le circuit d’alimentation 9 permet de refroidir l’air chargé en huile AH circulant dans le circuit de dégazage 14 et réduit ainsi efficacement le risque de cokéfaction lorsque l’huile H est exposée à de fortes températures, notamment supérieures à 250°C, de préférence 300°C. Ceci évite de former un dépôt de coke sur les parois du circuit de dégazage 14 ce qui permet de conserver une section de passage importante avec des pertes de charge minimales. L’étanchéité du volume interne V assurée par l’air A sous pression est ainsi optimale.
La position fermée F de la vanne 11 est quant à elle adaptée pour les bas régimes de la turbomachine d’aéronef 30, pour lesquels un faible débit d’huile H dans le circuit de dégazage 14 permet de limiter les pertes de charge et donc d’assurer une bonne étanchéité dans l’enceinte de palier 2. Grâce à la ligne de pilotage 10 qui fournit un complément d’huile H pendant les hauts régimes de la turbomachine d’aéronef 30, le circuit de pressurisation alimentant le volume interne en air peut avantageusement être sous-dimensionné par rapport à l’art antérieur.
De manière classique et comme illustré sur la , l’enceinte de palier 2 comprend une paroi statorique 4 s’étendant autour de l’arbre 5, 6 de la turbomachine d’aéronef 30 et du palier 3, délimitant le volume interne V. Le palier 3 comprend un élément de support statorique solidaire de la paroi statorique 4 et un élément de guidage rotorique entraîné en rotation par l’arbre 5, 6. L’enceinte de palier 2 comprend également des joints d’étanchéité 7, notamment de type dynamique, typiquement de type labyrinthe, entre la paroi statorique 4 et l’arbre 5, 6, par exemple un à l’avant et un à l’arrière comme illustré sur la . Les passages 8 d’admission d’air A sont typiquement formées dans les joints d’étanchéité 7 de type labyrinthe et permettent d’admettre de l’air A sous pression, notamment prélevé au niveau du compresseur 31, 32, afin de confiner l’huile H dans l’enceinte de palier 2.
Toujours en référence à la , le circuit d’alimentation 9 en huile H comprend classiquement, d’amont en aval dans le sens de circulation de l’huile H, un réservoir 20, une pompe d’alimentation 21, de préférence un filtre (non représenté), un ou plusieurs échangeurs de chaleur de type air/huile H ou type huile H/carburant, et une sortie 24 typiquement pourvue d’un gicleur. Le gicleur permet d’alimenter le volume interne V en huile H. Dans cet exemple, un échangeur principal 22 de type huile H/carburant (« Fuel Cooled Oil Cooler FCOC ») et un échangeur secondaire 23 de type huile H/carburant sont représentés d’amont en aval. Ces échangeurs 22 et 23 sont optionnels, et il est aussi possible d’avoir un échangeur 22 sans la présence d’un échangeur 23. Lorsqu’il est présent, l’échangeur 23 de type huile H/carburant est de préférence dédié au refroidissement du carburant par l’huile dans certaines conditions. Il sera dans ce cas dénommé OCFC pour « Oil Cooled Fuel Cooler », ce qui implique que l’huile est alors réchauffée par échange thermique avec le carburant plus chaud.
Toujours en référence à la , le système de refroidissement et de lubrification 1 comprend classiquement également un circuit d’évacuation 17 configuré pour évacuer par gravité l’huile H accumulée contre la paroi statorique 4. Le circuit d’évacuation 17 comprend classiquement, d’amont en aval dans le sens de circulation de l’huile H, une pompe (non représentée) et un séparateur 18 adapté pour retirer l’air A contenu dans l’huile H et connu de l’homme du métier sous le terme de « désaérateur d’huile ». Le séparateur 18 est par exemple disposé au niveau de l’entrée du réservoir 20 pour le retour de l’huile H. L’huile H retournée dans le réservoir 20 est ensuite réinjectée dans le circuit d’alimentation 9 via la pompe d’alimentation 21, tandis que l’air A est évacué à l’extérieur de la turbomachine d’aéronef 30.
Toujours en référence à la , le circuit de dégazage 14 permet d’évacuer l’air chargé en huile AH du volume interne V. Le circuit de dégazage 14 comprend un séparateur 16 adapté pour extraire les gouttelettes d’huile H contenues dans l’air et connu de l’homme du métier sous le terme de « déshuileur d’air ». Le séparateur 16 du circuit de dégazage 14 est de préférence de type centrifuge et connu de l’homme du métier sous le terme de « déshuileur rotorique ».
Dans l’exemple de la , le séparateur 16 du circuit de dégazage 14 est monté dans la nacelle 35 entourant la turbomachine d’aéronef 30 et est entraîné en rotation par un boîtier de relais d’accessoires 36 (« accessory gearbox AGB »). Dans cet exemple, pour acheminer l’air chargé en huile AH dans le séparateur 16, le circuit de dégazage 14 s’étend dans un bras de carter de turbine 37 s’étendant radialement dans la veine d’air 38 en arrière de la turbine basse pression 34. De par son emplacement dans la veine d’air 38, un tel bras de carter de turbine 37 est susceptible d’être exposé à de fortes températures et l’intégration d’une ligne de pilotage 10 selon l’invention est particulièrement avantageuse pour éviter la cokéfaction.
La illustre une autre forme de réalisation préférée de l’invention qui se distingue de la en ce que le séparateur 16 est monté solidaire en rotation de l’arbre basse pression 5, dans cet exemple en arrière du palier 3. Le circuit de dégazage 14 s’étend dans cet exemple en arrière de la turbine basse pression 34, notamment dans l’arbre basse pression 5, un tel agencement étant connu de l’homme du métier sous le terme « center vent tube » et décrit par exemple dans la demande FR2929325A1. L’invention est également avantageuse pour un tel agencement susceptible d’exposer le circuit de dégazage 14 à de fortes températures.
En référence à la et comme décrit précédemment, la ligne de pilotage 10 est alimentée en entrée par le circuit d’alimentation 9 et débouche en sortie vers le circuit de dégazage 14. La ligne de pilotage 10 permet en pratique de prélever une partie de l’huile H, initialement destinée à alimenter le volume interne V, pour l’injecter directement dans le circuit de dégazage 14, de préférence grâce à un gicleur 13 positionné en sortie de la ligne de pilotage 10.
Dans cet exemple, la ligne de pilotage 10 relie le circuit d’alimentation 9 et le circuit de dégazage 14. Toujours dans cet exemple, la ligne de pilotage 10 est positionnée en dehors du volume interne V. La ligne de pilotage 10 débouche ainsi dans le circuit d’alimentation 9 en amont de la sortie 24 dans le volume interne V.
De préférence, comme illustré sur les figures 2 et 3, la ligne de pilotage 10 débouche dans le circuit d’alimentation 9 en aval de l’échangeur principal 22, et de préférence en amont de l’échangeur secondaire 23, c’est-à-dire au niveau du point le plus froid de l’huile H puisque l’huile H passant ensuite dans l’échangeur secondaire 23 dénommé OCFC peut être réchauffée par le carburant. De la sorte, l’huile H prélevée permette de refroidir efficacement l’air chargé en huile AH dans le circuit de dégazage 14. La réduction de la température du mélange air-huile dans le circuit de dégazage 14 est bénéfique pour l’efficacité du séparateur 16, réduisant la consommation d’huile H malgré l’augmentation du débit d’huile que le séparateur 16 a à traiter.
Toujours dans l’exemple des figures 2 et 3, la ligne de pilotage 10 débouche de préférence en amont de l’entrée 15 du circuit de dégazage 14, préférentiellement à une distance d inférieure à 50mm et supérieure à 5mm. Ceci permet de réduire les pertes de charge sur l’ensemble du circuit de dégazage 14.
En référence aux figures 2 à 4, la vanne 11 est montée sur la ligne de pilotage 10 et permet d’autoriser la circulation de l’huile H dans la position ouverte O représentée sur la , et d’interdire la circulation de l’huile H dans la position fermée F représentée sur la . La vanne 11 comporte de préférence uniquement deux positions, à savoir la position ouverte O et la position fermée F.
En référence aux figures 3 et 4, la vanne 11 est de préférence de type à tiroir et commandée par un organe de commande 12, typiquement un organe de rappel tel qu’un ressort. Une telle vanne 11 est commandée de manière passive à partir de la pression P de l’huile H dans le circuit d’alimentation 9 ou la ligne de pilotage 10 en amont de la vanne 11. Lorsque la pression P de l’huile H dans le circuit d’alimentation 9 est supérieure à un seuil prédéterminé S, correspondant à un bas régime de la turbomachine d’aéronef 30, l’organe de commande 12 déplace la vanne 11 dans la position ouverte O. Lorsque la pression P de l’huile H dans le circuit d’alimentation 9 est inférieure au seuil prédéterminé S, correspondant à un haut régime de la turbomachine d’aéronef 30, l’organe de commande 12 déplace la vanne 11 dans la position fermée F. La pression P de l’huile H dans le circuit d’alimentation 9 est avantageusement liée au régime de la turbomachine d’aéronef 30 car la pompe d’alimentation 21 du circuit d’alimentation 9 est typiquement entraînée en rotation par un arbre 5, 6 de la turbomachine d’aéronef 30. Le seuil S est judicieusement choisi en fonction des besoins de refroidissement. Une telle architecture de vanne 11 passive est en outre simple, pratique et peu coûteuse.
La représente une autre forme de réalisation de l’invention différant de la en ce que la ligne de pilotage 10 est positionnée dans l’enceinte de palier 2 et relie le circuit d’alimentation 9 et le circuit de dégazage 14. La ligne de pilotage 10 débouche en entrée dans cet exemple en amont de la sortie 24 du circuit d’alimentation 9 et en aval de l’entrée 15 du circuit de dégazage 14. De même que précédemment, la ligne de pilotage 10 permet de prélever une partie de l’huile H, initialement destinée à alimenter le volume interne V, pour l’injecter directement dans le circuit de dégazage 14. Un tel montage réduit l’encombrement ainsi que la quantité de canalisation.
La représente une autre forme de réalisation de l’invention différant de la en ce que la ligne de pilotage 10 débouche dans le volume interne V en vis-à-vis de l’entrée 15 du circuit de dégazage 14. Une telle ligne de pilotage 10 est simple et pratique à intégrer dans l’enceinte de palier 2, le gicleur 13 pouvant notamment être monté en saillie. De préférence, la distance d entre la sortie de la ligne de pilotage 10 et l’entrée 15 du circuit de dégazage 14 est inférieure à 50mm et de préférence supérieure à 5mm. Ceci permet de diriger efficacement l’huile H de la ligne de pilotage 10 dans le circuit de dégazage 14.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation du système de refroidissement et de lubrification 1, dans lequel la vanne 11 est initialement dans la position fermée F illustrée sur la interdisant la circulation de l’huile H. Le procédé d’utilisation comprend une étape de commande de la position ouverte O de la vanne 11 illustrée sur la autorisant la circulation de l’huile H.
De préférence, l’organe de commande 12 est de type passif et maintient la position fermée F tant que la pression P de l’huile H est inférieure au seuil prédéterminé S, correspondant à un bas régime de la turbomachine d’aéronef 30. Ceci permet de limiter la quantité d’huile dans le circuit de dégazage 14 et ainsi de réduire les pertes de charge pour une meilleure étanchéité de l’enceinte de palier 2 à bas régime.
Lorsque la pression P de l’huile H devient supérieure au seuil prédéterminé S, correspondant à un haut régime de la turbomachine d’aéronef 30, l’organe de commande 12 déplace la vanne 11 dans la position ouverte O. Ceci permet d’injecter de l’huile H froide dans le circuit de dégazage 14 pour éviter l’apparition de cokéfaction à haut régime qui réduirait la section du circuit de dégazage 14 à moyen terme.
De préférence, lorsque la pression P de l’huile H redevient inférieure au seuil prédéterminé S, l’organe de commande 12 déplace de nouveau la vanne 11 dans la position fermée F. L’invention permet ainsi de réguler la quantité d’huile H de manière simple et pratique dans le circuit de dégazage 14 pour maintenir des faibles pertes de charges à bas régime et protéger contre la cokéfaction à haut régime de la turbomachine d’aéronef 30. L’invention permet ainsi de décorréler le besoin de refroidissement du circuit de dégazage 14 à haut régime et celui de pressurisation de l’enceinte de palier 2 à bas régime.

Claims (10)

  1. Système de refroidissement et de lubrification (1) d’au moins un palier (3) de turbomachine d’aéronef (30) comprenant :
    • une enceinte de palier (2) délimitant un volume interne (V) dans lequel s’étend le palier (3), l’enceinte de palier (2) comprenant au moins un passage (8) d’admission d’air (A) dans le volume interne (V),
    • un circuit d’alimentation (9) configuré pour alimenter le volume interne (V) avec un fluide de refroidissement et de lubrification (H),
    • un circuit de dégazage (14) configuré pour évacuer l’air chargé en fluide de refroidissement et de lubrification (AH) hors du volume interne (V), le circuit de dégazage (14) comprenant un séparateur (16) configuré pour extraire le fluide de refroidissement et de lubrification (H) dans l’air chargé en fluide de refroidissement et de lubrification (AH),
    • le système de refroidissement et de lubrification (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend une ligne de pilotage (10) alimentée par le circuit d’alimentation (9) et débouchant vers le circuit de dégazage (14), la ligne de pilotage (10) comprenant une vanne (11) commandable dans une position ouverte (O), pour autoriser l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification (H) dans le circuit de dégazage (14), et dans une position fermée (F), pour interdire l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification (H) dans le circuit de dégazage (14).
  2. Système de refroidissement et de lubrification (1) selon la revendication 1, comprenant un organe de commande (12) de type passif de la position ouverte (O) et de la position fermée (F) de la vanne (11).
  3. Système de refroidissement et de lubrification (1) selon la revendication 2, dans lequel l’organe de commande (12) est configuré pour commander la position ouverte (O) de la vanne (11) lorsque la pression (P) du fluide de refroidissement et de lubrification (H) dans le circuit d’alimentation (9) ou dans la ligne de pilotage (10) en amont de la vanne (11) est supérieure à un seuil prédéterminé (S).
  4. Système de refroidissement et de lubrification (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la ligne de pilotage (10) s’étend dans l’enceinte de palier (2).
  5. Système de refroidissement et de lubrification (1) selon la revendication 4, dans lequel la ligne de pilotage (10) débouche dans le volume interne (V), en vis-à-vis d’une entrée (15) du circuit de dégazage (14).
  6. Système de refroidissement et de lubrification (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la ligne de pilotage (10) s’étend hors de l’enceinte de palier (2).
  7. Système de refroidissement et de lubrification (1) selon l’une des revendications 1 à 4 et 6, dans lequel la ligne de pilotage (10) relie le circuit d’alimentation (9) et le circuit de dégazage (14) en parallèle du volume interne (V).
  8. Système de refroidissement et de lubrification (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la ligne de pilotage (10) comprend un gicleur (13) configuré pour vaporiser le fluide de refroidissement et de lubrification (H) alimentant le circuit de dégazage (14).
  9. Turbomachine d’aéronef (30) comprenant :
    • une veine d’air (38) s’étendant selon un axe longitudinal (X) orienté d’avant en arrière selon le sens de circulation d’un flux d’air lors d’une phase de poussée de la turbomachine d’aéronef (30),
    • au moins une turbine (33, 34) et au moins un bras (37) s’étendant radialement dans la veine d’air (38) en arrière de la turbine (33, 34),
    • au moins un système de refroidissement et de lubrification (1) selon l’une des revendications 1 à 8, le circuit de dégazage (14) traversant le bras (37).
  10. Procédé d’utilisation d’un système de refroidissement et de lubrification (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la vanne (11) est initialement dans la position fermée (F) pour interdire l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification (H) dans le circuit de dégazage (14), le procédé d’utilisation consistant à commander la position ouverte (O) de la vanne (11), pour autoriser l’admission du fluide de refroidissement et de lubrification (H) dans le circuit de dégazage (14).
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