TITRE : TURBOMACHINE D’AERONEF COMPRENANT UN DISPOSITIF DE LUBRIFICATION D’UN PALIER

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne le domaine technique des turbomachines d’aéronef. Plus particulièrement, l’invention s’inscrit dans le domaine des turbomachines d’aéronef comprenant une turbine contrarotative.

Arrière-plan technique

L’état de la technique est illustré par les documents EP-A1-3 575 562, US AI -2015/361829, FR-A1-2 977 636 et EP-A1-3 460 199.

De manière classique, une turbomachine d’aéronef comprend d’amont en aval, dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Le rotor du compresseur basse pression est entraîné par le rotor de la turbine basse pression, et le rotor du compresseur haute pression est entraîné par le rotor de la turbine haute pression.

D’un point de vue performance moteur et consommation, il est avantageux de maximiser la vitesse de rotation de la turbine basse pression car cela permet d’obtenir un meilleur rendement de la turbine. Cependant, augmenter la vitesse de rotation de la turbine implique d’augmenter les efforts centrifuges qu’elle subit, et complique donc fortement sa conception.

Une suggestion pour augmenter le rendement d’une turbine sans pour autant augmenter sa vitesse de rotation consiste à utiliser une turbine contrarotative. La turbine basse pression est alors remplacée par une turbine à deux rotors dont un premier rotor est configuré pour tourner dans un premier sens de rotation et est relié à un premier arbre de turbine, et un second rotor configuré pour tourner dans un sens opposé de rotation et relié à un second arbre de turbine. Les premier et second arbres de turbine sont centrés et guidés en rotation par une pluralité de paliers de guidage. Le premier rotor comporte des roues de turbine intercalées entre des roues de turbine du second rotor. Une turbine basse pression peut avoir une vitesse de rotation au décollage de l’ordre de 4.000 tours par minute dans une architecture classique où la turbine entraine directement la soufflante ou une vitesse de rotation au décollage de l’ordre de 10.000 tours par minute dans une architecture où la turbine entraine la soufflante par l'intermédiaire d'un réducteur. Son remplacement par une turbine contrarotative dont les rotors tournent respectivement à des vitesses au décollage de l’ordre de 3.000 et 7.000 tours par minute permet d’avoir une vitesse relative de 10.000 tours par minute (3000+7000) tout en ayant une vitesse absolue dans une tranche basse de l'intervalle de vitesse précité. Cette turbine contrarotative comprend ainsi un rotor lent et un rotor rapide, le rotor lent entraînant la soufflante et le rotor rapide engrenant avec un réducteur mécanique à train épicycloïdal de type planétaire dont l’entrée et la sortie sont contrarotatives (couronne tournante, porte-satellites fixe, solaire tournant). Le réducteur couple le rotor rapide et le rotor lent, permettant ainsi un transfert de puissance du rotor rapide vers le rotor lent. On profite des rendements supérieurs d’une turbine rapide tout en transférant une large part de la puissance de la turbine vers la soufflante sans transiter par un réducteur mais par un arbre. Cette architecture est complexe de par son intégration mécanique : le réducteur mécanique est par exemple situé à l’aval de la turbomachine, radialement à l’intérieur d’un carter annulaire de stator appelé carter d’échappement ou à l’amont de la turbomachine, radialement à l’intérieur d’un carter annulaire de stator appelé carter intermédiaire. Par ailleurs, le réducteur dégageant une énergie considérable (de l’ordre de 100kW) en fonctionnement, celui-ci doit être lubrifié continuellement afin de maintenir une température de fonctionnement acceptable. Un circuit d’huile est donc implémenté afin d’alimenter le réducteur en huile. L’évacuation de l’huile est un problème essentiel. En effet, la quantité d’huile nécessaire au fonctionnement du réducteur est importante et son évacuation est de ce fait complexe puisqu’elle nécessite des dispositifs d’évacuation encombrants et difficiles à mettre en œuvre dans un tel environnement.

Par ailleurs, les paliers de guidage en rotation du premier et second arbre de turbine doivent également être lubrifiés par une huile de lubrification. L’acheminement de l’huile de lubrification aux paliers de guidage est également un problème majeur. En effet, la quantité d’huile à acheminer aux paliers de guidage est importante dans ce type de configuration. Les dispositifs d’acheminement sont par conséquent complexes à mettre en œuvre dans ce type d’environnement à l’image des dispositifs d’évacuation de l’huile.

Il existe alors un besoin de fournir une turbomachine dans laquelle l’huile de lubrification du réducteur peut être facilement récupérée et évacuée et dans laquelle les paliers peuvent être facilement lubrifiés.

Résumé de l'invention

A cet effet, l’invention propose une turbomachine pour un aéronef, comprenant :

- un premier rotor comportant un premier arbre,

- un second rotor comportant un second arbre,

- un réducteur mécanique à train épicycloïdal comprenant un solaire relié au second arbre, une couronne reliée au premier arbre, et des satellites situés entre le solaire et la couronne et portés par un porte-satellite fixé à un stator de la turbomachine,

- des paliers à roulement de guidage en rotation desdits premier et second arbres,

- une gouttière annulaire qui s’étend autour de la couronne du réducteur et qui est configurée pour récupérer de l’huile de lubrification du réducteur qui est projetée par centrifugation à l’extérieur de la couronne en fonctionnement, et

- un support annulaire de palier(s) qui est fixé avec la gouttière à un stator de la turbomachine et qui supporte au moins un desdits paliers. La turbomachine se distingue en ce qu’elle comprend en outre au moins un dispositif d’acheminement d’huile récupérée par ladite gouttière, qui est porté par ledit support annulaire et qui s’étend jusqu’audit au moins un palier en vue de sa lubrification.

La turbomachine comprend donc une gouttière permettant de récupérer l’huile de lubrification du réducteur. Selon l’invention, la turbomachine comprend également un dispositif d’acheminement d’au moins une partie de l’huile récupérée par la gouttière qui s’étend jusqu’au palier. Le dispositif d’acheminement permet ainsi d’utiliser l’huile de lubrification du réducteur récupérée par la gouttière pour lubrifier le palier. Grâce à l’invention, il est donc possible de s’affranchir d’une alimentation spécifique en huile pour lubrifier le palier offrant un gain de coût considérable.

Par ailleurs, comme une partie de l’huile de lubrification du réducteur est utilisé pour lubrifier le palier, la quantité d’huile totale à injecter et à évacuer est réduite. L’huile à injecter et à évacuer est acheminée par un circuit d’huile passant à travers des bras d’un carter de la turbomachine. Il est donc possible de réduire l’encombrement du circuit, facilitant son intégration dans les bras du carter de la turbomachine.

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

- le dispositif d’acheminement comprend une écope de prélèvement configurée pour prélever de l’huile récupérée par la gouttière, l’écope étant ménagée dans une paroi annulaire latérale de la gouttière ; - le dispositif d’acheminement comprend au moins une canalisation d’acheminement de l’huile prélevée par l’écope jusqu’audit au moins un palier, la canalisation s’étendant entre une première extrémité reliée à la gouttière et une seconde extrémité s’étendant jusqu’au palier ;

- la canalisation d’acheminement a une forme générale hélicoïdale autour d’un axe longitudinal de la turbomachine ;

- la canalisation d’acheminement est formée dans une nervure en saillie sur une surface annulaire interne dudit support annulaire, ou par un tube porté par le support annulaire ;

- le dispositif d’acheminement comprend au moins un gicleur d’huile vers ledit au moins un palier, le gicleur étant porté par ledit support annulaire ;

- ledit au moins un gicleur a une forme générale rectiligne ou coudée ;

- le premier arbre est fixé à la couronne et s’étend au moins en partie entre le réducteur et ledit support annulaire, ce premier arbre étant guidé par ledit au moins un palier supporté par ce support annulaire et lubrifié par ledit dispositif ;

- ledit au moins un gicleur est intercalé axialement entre ledit au moins un palier et un joint annulaire dynamique monté autour du premier arbre ;

- un carter annulaire qui s’étend au moins en partie autour du réducteur et auquel sont fixés ledit support annulaire et ladite gouttière, ce carter annulaire comportant des bras s’étendant radialement par rapport à un axe longitudinal de la turbomachine et traversant une veine d’écoulement d’un flux de gaz à l’intérieur de la turbomachine.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig.1] la figure 1 est une représentation très schématique d’une demi turbomachine d’aéronef selon l’invention;

[Fig.2] la figure 2 est une représentation schématique agrandie d’une partie de la turbomachine de la figure 1 ; [Fig.3] la figure 3 est une vue agrandie d’une partie de la figure 2 ;

[Fig.4] la figure 4 est une vue en perspective d’un élément de l’invention représenté sur la figure 3 ;

[Fig.5] la figure 5 est une autre vue en perspective d’un élément de l’invention représenté sur la figure 3 ;

[Fig.6a] la figure 6a est une représentation schématique d’un premier exemple de réalisation d’un gicleur pouvant équiper l’invention ;

[Fig.6b] la figure 6b est une représentation schématique d’un second exemple de réalisation d’un gicleur pouvant équiper l’invention ;

Description détaillée de l'invention

Une turbomachine 1 d’aéronef est par exemple représentée sur la figure 1 . La turbomachine 1 est par exemple une turbomachine 1 à turbine contrarotative. La turbomachine 1 s’étend selon un axe longitudinal A.

La turbomachine 1 comprend, d’amont en aval dans le sens F d’écoulement des gaz, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre annulaire de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine contrarotative 7.

La turbomachine 1 comprend en outre une pluralité de carters structuraux. Par exemple, elle comprend un carter intermédiaire 10 agencé entre le compresseur basse pression 3 et le compresseur haute pression 4. La turbomachine 1 comprend en outre un carter de turbine 12. Le carter de turbine 12 est par exemple équipé de bras formant des aubages de redresseur et est appelé TVF (pour T urbine Vane Frame en langue anglaise). Le carter de turbine 12 est agencé entre la turbine haute pression 6 et la turbine contrarotative 7. La turbomachine 1 comprend en outre un carter d’échappement 13. Le carter d’échappement 13 est par exemple le dernier carter de turbine et est appelé TRF (pour Turbine Rear Frame en langue anglaise).

La turbine haute pression 6 comprend un rotor qui entraîne en rotation un rotor du compresseur haute pression 4 par l’intermédiaire d’un arbre haute pression 60. L’arbre haute pression 60 est centré et guidé en rotation par des paliers haute pression, tels qu’un palier haute pression amont 61 et un palier haute pression aval 62. Le palier haute pression amont 61 est par exemple un palier à billes et le palier haute pression aval 62 est par exemple un palier à rouleaux. Le palier haute pression amont 61 est monté entre une extrémité amont de l’arbre haute pression 60 et le carter intermédiaire 10.

La turbine contrarotative 7 comprend un premier rotor 8 comportant un premier arbre 80 et un second rotor 9 comprenant un second arbre 90.

Plus particulièrement, le premier rotor 8 comprend une première série de roues 81 configurées pour tourner dans un premier sens de rotation et reliées au premier arbre 80. Le second rotor 9 comprend une deuxième série de roues 91 configurées pour tourner dans un sens opposé au premier sens de rotation et reliées au second arbre 90. Les roues 91 de la seconde série sont intercalées entre les roues 81 de la première série.

Chaque roues 81 , 91 comprend une rangée annulaire d’aubes comprenant chacune un profil aérodynamique présentant un intrados et un extrados qui se rejoignent pour former un bord d’attaque et un bord de fuite des gaz dans une veine de la turbine contrarotative 7.

Le premier arbre 80 entraine en rotation la soufflante 2 ainsi que le rotor du compresseur basse pression 3.

En outre, la turbomachine 1 comprend des paliers à roulement de guidage en rotation du premier arbre 80 et second arbre 90.

Par exemple, de manière non représentée, le second arbre 90 est centré et guidé en rotation par l’intermédiaire de deux paliers à roulement de guidage amont et aval.

Le premier arbre 80 est centré et guidé en rotation à l’aval par au moins un palier de guidage, par exemple par au moins un palier de guidage aval 15 visible sur la figure 2.

Le premier arbre 80 est centré et guidé en rotation à l’amont par deux paliers de guidage amont 82, 83 montés entre l’extrémité amont du premier arbre 80 et le carter intermédiaire 10. En outre, la turbomachine 1 comprend un réducteur 14 mécanique à train épicycloïdal. Comme mieux visible sur la figure 2, le réducteur 14 comprend un solaire 41 relié au second arbre 90, une couronne 42 reliée au premier arbre 80 et des satellites 43 situés entre le solaire 41 et la couronne 42 et portés par un porte satellite 43a fixé à un stator de la turbomachine 1 .

Plus particulièrement, le premier arbre 80 présente une extrémité aval 80a fixée à une extrémité amont d’un porte couronne 42a de la couronne 42 et une extrémité amont 80b fixée au dernier étage du premier rotor 81 de la première turbine 8 comme représenté sur la figure 1 .

Le carter de turbine 12 et le carter d’échappement 13 comprennent un moyeu central, ainsi qu’un anneau extérieur qui entoure le moyeu et qui est relié à celui-ci par une série de bras 13a. Les bras 13a sont sensiblement radiaux ou inclinés par rapport à l’axe longitudinal A de la turbomachine 1 et traversent la veine de la turbine. Le moyeu central du carter d’échappement 13 s’étend autour d’au moins une partie du réducteur 14.

Le palier aval 15 est situé en aval du réducteur 14. Le palier aval 15 est supporté par un support 16 annulaire de palier fixé à un stator de la turbomachine 1 , par exemple au carter d’échappement 13. Le premier arbre 80 s’étend au moins en partie entre le réducteur 14 et le support 16.

Par ailleurs, un joint dynamique annulaire 23 est monté autour du premier arbre 80. Le joint dynamique 23 est par exemple un joint radial segmenté (JRS). Le joint dynamique 23 est par exemple composé de carbone. Le joint dynamique 23 est par exemple logé dans une gorge 231 ménagée dans une bride 232 d’une structure fixe reliée au stator de la turbomachine 1 , par exemple au carter d’échappement 13 et au support 16.

En fonctionnement, le réducteur 14 est lubrifié et l’huile qui a lubrifié le réducteur doit être récupérée et évacuée en vue de son recyclage pour éviter que cette huile s’accumule dans le réducteur 14 et ne se transforme en coke sous l’effet des températures importantes.

A cet effet, la turbomachine 1 comprend une gouttière 17 annulaire qui s’étend autour de la couronne 42 du réducteur 14 et qui est configurée pour récupérer l’huile de lubrification du réducteur 14 qui est projetée par centrifugation à l’extérieur de la couronne 42 en fonctionnement tel qu’illustré par la flèche arrondi sur la figure 2.

Plus particulièrement, l’huile est centrifugée et se retrouve dans la couronne 42 du réducteur 14. Comme mieux visible sur la figure 3, des passages 42b peuvent être prévus à la périphérie externe de la couronne 42 de façon à projeter l’huile par centrifugation sur la gouttière 17 s’étendant en regard de ces passages 42b. Les passages 42b sont par exemple orientés radialement par rapport à l’axe longitudinal A de la turbomachine 1 .

La gouttière 17 est fixée avec le support 16 annulaire de palier au stator de la turbomachine 1 , par exemple au carter d’échappement 13.

Comme mieux visible sur les figures 4 et 5, la gouttière 17 présente une paroi annulaire latérale 17c. La gouttière 17 présente par ailleurs une surface annulaire interne 17d et une surface annulaire externe 17e.

La gouttière 17 est par exemple formée par l’assemblage d’une première paroi annulaire 17a et une seconde paroi annulaire 17b montées coaxialement l’une à l’intérieur de l’autre. La première paroi annulaire 17a est par exemple formée par le support 16.

Chacune des parois 17a, 17b comprend une nervure annulaire d’évacuation 174 en saillie radialement vers l’intérieur.

Les nervures annulaires d’évacuation 174 délimitent axialement entre elles un espace E de récupération d’huile. L’espace E est délimité radialement par la surface annulaire interne 17d.

En outre, la surface annulaire externe 17e est avantageusement revêtue d’un revêtement annulaire 24 d’isolation thermique. Le revêtement annulaire 24 est ainsi agencé radialement entre le carter d’échappement 13 et la gouttière 17. Le revêtement annulaire 24 est séparé du carter d’échappement 13 par un espace annulaire libre de circulation d’air et de ventilation par exemple.

La seconde paroi 17b comprend une extrémité amont 171 et une extrémité aval 172. L’extrémité amont 171 de la seconde paroi 17b est engagée axialement dans une gorge annulaire 18a d’un organe 18 fixé à une bride amont 13b du carter d’échappement 13 par l’intermédiaire d’une bride de fixation 18b. La bride amont 13b du carter d’échappement 13 est située sensiblement au droit des bras 13a du carter d’échappement 13. Préférentiellement, un joint annulaire est agencé dans la gorge 13a et est en buté axiale contre l’extrémité amont 171 de la seconde paroi 17b. L’extrémité aval 172 de la seconde paroi 17b comprend une bride fixation à une bride aval 13c du carter d’échappement 13, située sensiblement au droit des bras 13a. La première paroi 17a comprend une bride de fixation à la bride aval 13c du carter d’échappement 13.

La bride de fixation forme un rebord 173 cylindrique orienté vers l’amont destiné à coopérer avec la seconde paroi 17b.

La gouttière 17 comprend des ouvertures (non représentées) qui assurent le passage de l’huile jusqu’à des conduits d’évacuation (non représentés). Les conduits traversent les bras 13a du carter d’échappement 28. La gouttière 17 comprend avantageusement une chambre de récupération d’huile (non représentée) située en partie basse. La chambre de récupération assure la tranquillisation de l’huile, c’est-à-dire une partie de son dégazage ou sa désaération afin de réduire le nombre de bulle d’air dans l’huile. Ainsi, l’huile passe à travers les ouvertures qui communiquent avec la chambre de récupération avant d’être évacuée par les conduits au travers des bras 13a du carter d’échappement 13 par exemple.

Afin de réduire la quantité d’huile totale à acheminer et la quantité d’huile à évacuer à travers les bras 13a, et ainsi réduire l’encombrement des conduits traversant les bras 13a, selon l’invention, la turbomachine comprend en outre au moins un dispositif 19 d’acheminement d’huile récupérée par la gouttière 17 porté par le support annulaire 16 et qui s’étend jusqu’à au moins un palier de guidage, par exemple jusqu’au palier de guidage aval 15 en vue de sa lubrification. Comme représenté sur la figure 4, le dispositif 19 comprend par exemple une écope 20 de prélèvement, au moins une canalisation 21 d’acheminement de l’huile et au moins un gicleur 22 d’huile (figure 2) vers le palier de guidage tel que le palier de guidage aval 15 en rotation du premier arbre 80.

L’écope 20 est configurée pour prélever de l’huile récupérée par la gouttière 17. L’écope 20 est ménagée dans la paroi annulaire latérale 17c de la gouttière 17, par exemple de la première paroi 17a.

L’écope 20 est en communication fluidique avec la canalisation 21. La canalisation 21 permet d’acheminer l’huile prélevée par l’écope 20 jusqu’au palier de guidage, par exemple au palier de guidage aval 15.

Comme représenté par exemple sur la figure 5, la canalisation 21 présente une forme hélicoïdale autour de l’axe longitudinal A de la turbomachine 1 . La forme en hélice de la canalisation 21 permet de limiter les pertes de charges de l’huile prélevée par l’écope 20 lors de son acheminement au palier de guidage. La canalisation 21 s’étend entre une première extrémité 21a reliée à la gouttière 17 et une seconde extrémité 21 b s’étendant jusqu’au palier aval 15. La seconde extrémité 21 b est reliée au gicleur 22. Plus particulièrement, la première extrémité 21a est reliée à la première paroi 17a de la gouttière 17 et la seconde extrémité 21 b est reliée au gicleur 22, la canalisation 21 s’étendant le long du support 16 entre la première extrémité 21a et la seconde extrémité 21 b.

Dans l’exemple de la figure 5, la canalisation 21 est formée dans une nervure en saillie sur la surface annulaire interne 17d du support 16. Par exemple, la canalisation 21 est formé dans la nervure 174 de la première paroi 17a de la gouttière 17 et s’étend dans le support 16.

Selon un autre exemple non représenté, la canalisation 21 est formée par un tube porté par le support 16.

Le gicleur 22 permet de distribuer l’huile acheminé par la canalisation 21 au palier 15. Le gicleur 22 est par exemple porté par le support 16. Le gicleur 22 est fixé à une extrémité aval du support 16. Le gicleur 22 est intercalé axialement entre le palier 15 et le joint dynamique 23. Afin de limiter les projections d’huile sur le joint dynamique 23, une vrille peut être placée contre le joint dynamique 23.

Plus particulièrement, le gicleur 22 comprend un corps cylindrique 22a et une buse d’éjection 22b.

Selon un premier exemple de réalisation représenté sur la figure 6a, le gicleur 22 a une forme générale rectiligne. Ainsi, le corps cylindrique 22a et la buse d’éjection 22b s’étendent le long d’un même axe perpendiculaire à l’axe de la turbomachine 1. Selon un autre exemple de réalisation représenté sur la figure 6b, le gicleur 22 a une forme générale coudée. La buse d’éjection 22b s’étend ainsi radialement par rapport au corps cylindrique 22a de façon à ce que la buse d’éjection 22b s’étende parallèlement à l’axe longitudinal A de la turbomachine 1. La buse d’éjection 22b est selon cet exemple orientée vers le palier 15. Cette configuration permet de maximiser la quantité d’huile distribuée au palier 15 en cas notamment d’une perte de charge lors de l’acheminement de l’huile dans la canalisation 21 résultant en une pression trop faible dans le gicleur 22.

L’invention met ainsi en œuvre la gouttière 17 qui permet de récupérer l’huile de lubrification du réducteur 14 afin de limiter les risques de formation de coke dans le réducteur 14. Une partie de cette huile est acheminée par le dispositif 19 jusqu’au palier de guidage, par exemple au palier de guidage aval 15 en rotation du premier arbre 80 pour le lubrifier. En particulier, la partie de l’huile acheminée est d’abord prélevée dans la gouttière 17 par l’écope 20 qui communique avec la canalisation 21 permettant l’acheminement de l’huile jusqu’au gicleur 23 distribuant l’huile prélevée au palier de guidage aval 15. Par conséquent, la quantité d’huile restante dans la gouttière 17 et évacuée est moindre. Les conduits de la gouttière 17 s’étendant dans les bras 13a du carter d’échappement 13 peuvent ainsi être dimensionnés pour évacuer une plus faible quantité d’huile. Ceci résulte en des conduits moins encombrants et intégrables dans le carter d’échappement 13. Aussi, les coûts liés à la lubrification du réducteur 14 et du palier sont réduits puisque la quantité d’huile totale introduite est réduite grâce à la réutilisation d’une partie de l’huile de lubrification du réducteur 14. Par ailleurs, l’invention a été décrite en relation avec une turbomachine 1 dans laquelle le réducteur 14 est situé en aval de la turbomachine 1 et est entouré du carter d’échappement 13. L’invention s’applique également à une turbomachine dans laquelle le réducteur 14 est situé en amont de la turbomachine 1 et est entouré du carter intermédiaire 10. Selon ce mode de réalisation, la gouttière 17 et le support 16 sont fixés au carter intermédiaire 10. Les mêmes avantages résultent de ce mode de réalisation.