TITRE : Pressurisation d’une enceinte lubrifiée de turbomachine

Domaine technique de l’invention

Le présent document concerne la lubrification des éléments tournants dans une turbomachine, en particulier la pressurisation d’enceintes lubrifiée comprenant un ou plusieurs paliers à roulement de la turbomachine.

Etat de la technique antérieure

Les turbomachines de l'art antérieur comportent généralement des roulements, appelés aussi paliers, qui sont protégés de l’environnement des autres composants de la turbomachine par des enceintes, appelées enceintes paliers, qui les entourent.

Ainsi, la figure 1 représente schématiquement une enceinte palier 1 de l'art antérieur, telle que décrite par le document FR3021067. Cette enceinte palier 1 permet d'isoler avec une certaine étanchéité un palier de guidage d'un arbre tubulaire 8 par rapport à d’autres parties de la turbomachine situées de part et d’autre du palier. Le palier de guidage comporte une bague externe fixe 9 montée sur une partie fixe 10 de la turbomachine, une bague interne tournante 11 montée sur l'arbre tubulaire 8 et des éléments roulants 7. Ce montage peut être inversé de sorte que la bague interne soit fixe et la bague externe soit tournante.

Afin d'assurer la lubrification et le refroidissement du palier de guidage contenu dans l'enceinte, il est nécessaire d'injecter un lubrifiant sous pression sur les éléments en mouvement 11 et/ou 7. Pour cela, l'enceinte palier 1 comporte des moyens d'injection 12 qui comportent généralement un conduit d'arrivée 2 relié à un gicleur 3 qui permettent d'envoyer le lubrifiant sous pression au niveau de la bague tournante 11 et/ou les éléments roulants 7. L'enceinte palier 1 comporte également des moyens de récupération 5 du lubrifiant qui permettent d'évacuer le lubrifiant usagé.

Par ailleurs, afin d'assurer l'étanchéité de l'enceinte palier, cette enceinte est fermée par des joints d’étanchéité 14. Généralement, les joints d'étanchéité 14 sont des joints à labyrinthe, c'est-à-dire des joints sans frottement et composés de reliefs opposés créant des réductions de section entraînant des différentiels de pression à travers eux. Ces différentiels de pression, importants, rendent les fuites plus difficiles, mais ne les suppriment pas complètement. Or, il convient d'éviter la dissémination de l'huile hors l'enceinte palier 1 , pour éviter divers inconvénients, comme la cokéfaction ou le risque d'incendie sur une zone chaude du moteur, la pollution du moteur et de ses alentours, la consommation excessive d'huile, des défauts de lubrification du palier ou la formation d'un balourd liquide.

Pour cela, de l'air sous pression est injecté dans l'enceinte palier grâce à des moyens d'injection d'air 4, pour assurer un différentiel de pression suffisant. Cet air sous pression est généralement prélevé en aval d'un étage de compression de la turbomachine dans la veine primaire, et plus précisément en aval du compresseur basse pression de la turbomachine et en amont du compresseur haute pression. Ce plan de prélèvement est appelé plan 25 et la pression au niveau de ce plan est appelée P25.

Ainsi, c’est la différence de pression entre l’amont et l’aval des joints d’étanchéité 14 qui assure la bonne pressurisation de l’enceinte palier 1 . Si cet écart est trop faible, alors des gouttelettes d’huile au voisinage des étanchéités sont susceptibles de fuir par ces joints d’étanchéité 14. Cependant, la pression P25 varie en fonction des phases de fonctionnement de la turbomachine, et est plus faible à faible régime de la turbomachine. En effet, l’air de pressurisation prélevé au niveau du plan 25 n’a pas assez de pression à faible régime pour contrer la pression dans l’enceinte qui est proche de la pression ambiante grâce au circuit de mise à l’air libre.

Pour pallier ce problème, un système d’aspiration électrique peut être prévu pour venir dépressuriser l’enceinte palier, comme décrit dans le document FR3092366A1. En alternative connue de l’art antérieur, ce document décrit aussi l’utilisation d’une trompe à jet pour venir dépressuriser l’enceinte palier 1 , i.e. aspirer l’air huilé présente dans l’enceinte. Cependant, la trompe à jet nécessite un flux primaire de forte pression, généralement prélevé au niveau d’un plan, appelé plan 27, qui se trouve en aval du compresseur haute pression, pour venir entrainer un flux secondaire, provenant de l’enceinte palier à pressuriser.

Le document FR2698406 décrit une autre alternative pour pressuriser l’enceinte, à savoir : la mise en place de deux points de prélèvement d’air à destination de l'enceinte palier via une vanne qui est commandée pour prélever de l’air au niveau du plan 25, ou pour prélever de l’air au niveau du plan 27 lorsque la turbomachine est à faible régime, pour assurer une pressurisation suffisante de l’enceinte palier.

Cependant, ces solutions nécessitent un prélèvement assez loin de l’enceinte palier dans la veine primaire, ce qui est coûteux en termes de performance et d’installation.

En outre, en particulier quand l’enceinte lubrifiée est de type ventilée et associée à un déshuileur, l’huile de lubrification introduite dans l’enceinte palier est généralement récupérée par une pompe de récupération et l’air introduit dans l’enceinte est évacué par un tube de dégazage vers le déshuileur puis vers l’extérieur. Le déshuileur récupère l’huile de l’air huilé, pour le réintroduire dans le système d’huile. Néanmoins, le déshuileur n’étant pas 100% efficace, une petite proportion d’huile n’est pas récupérée par le déshuileur et est perdue dans l’atmosphère, ce qui constitue la majeure partie voire la totalité de la consommation d’huile du moteur. Généralement, plus le débit d’air est important, plus la quantité d’huile perdue est importante, car l’air se comporte comme le véhicule de l’huile dans le dégazage de l’enceinte. L’écart de pression, à haut régime, entre l’amont et l’aval des joints d’étanchéité est souvent bien supérieur au besoin de pressurisation de l’enceinte palier. Ainsi, le débit d’air introduit dans l’enceinte est donc plus important que nécessaire et entraine une perte plus importante d’huile.

Le présent document vise à remédier à ces inconvénients.

Résumé de l’invention

Le présent document propose un ensemble de lubrification et de pressurisation d’enceinte pour une turbomachine comprenant au moins une enceinte lubrifiée protégée par deux joints d’étanchéité, ladite turbomachine comprenant en outre une veine primaire entourant ladite au moins une enceinte lubrifiée, dans laquelle circule un flux primaire traversant au moins un compresseur de ladite turbomachine, ledit ensemble comprenant un compresseur électrique alimenté en air et relié à ladite au moins une enceinte lubrifiée pour introduire de l’air sous pression dans ladite enceinte à travers lesdits joints d’étanchéité.

Le compresseur électrique permet de pressuriser l’enceinte lubrifiée indépendamment du régime de fonctionnement dudit au moins un compresseur, ce qui permet de prévenir la cokéfaction de l’huile dans l’enceinte lubrifiée et toute fuite d’huile depuis l’enceinte lubrifiée. En outre, le régime du compresseur électrique peut être commandé pour adapter le taux de pressurisation de l’enceinte lubrifiée au juste besoin nécessaire pour éviter une fuite d’huile par les joints. La pression peut être adaptée pour rester constante aux bornes de l’enceinte lubrifiée indépendamment du point de fonctionnement de la turbomachine. Le régime du compresseur électrique peut être piloté par un boitier de contrôle, par exemple en fonction de paramètres de la turbomachine comme le régime du corps haute pression, appelé régime N2, ce qui permet notamment de gagner en consommation électrique. L’adaptation du débit d’air entrant dans l’enceinte lubrifiée permet de diminuer la consommation d’huile de la turbomachine, en particulier quand l’enceinte lubrifiée est de type ventilée et associée à un déshuileur. En effet, la diminution du débit d’air entrant dans l’enceinte permet de diminuer le débit d’air évacué vers l’extérieur de la turbomachine par le déshuileur, ce qui diminue la consommation d’huile de la turbomachine pour les raisons précédemment exposées.

La turbomachine peut comprendre un compresseur haute pression et/ou un compresseur basse pression.

Le compresseur électrique peut être configuré pour introduire de l’air dans ladite au moins une enceinte lubrifiée à une pression plus élevée que celle dans ladite au moins une enceinte lubrifiée au besoin.

Selon un mode de réalisation, la turbomachine peut comprendre un compartiment interveines délimité par un carter annulaire extérieur autour duquel circule un flux secondaire dans une veine secondaire de la turbomachine entourant la veine primaire, et par un carter annulaire intérieur dans lequel circule le flux primaire.

Le compresseur électrique peut être agencé dans le compartiment inter-veine ou à l’amont du compartiment inter-veines. Ainsi, le compresseur électrique se trouve dans une zone relativement froide comparé à la veine primaire.

Le compresseur électrique peut être alimenté par de l’air prélevé du le flux secondaire.

La turbomachine peut comprendre un circuit de refroidissement, pour refroidir au moins une partie dudit au moins un compresseur. Le circuit de refroidissement peut être configuré pour prélever de l’air du flux primaire, en particulier pour prélever de l’air en aval du compresseur basse pression et en amont du compresseur haute pression. Ledit circuit de refroidissement peut en outre être configuré pour acheminer l’air prélevé vers ladite au moins une partie dudit au moins un compresseur. Ladite au moins une enceinte lubrifiée peut comprendre un palier à roulement. Un des joints d’étanchéité peut être agencé en amont de l’enceinte lubrifiée et l’autre joint d’étanchéité peut être agencé en aval de l’enceinte lubrifiée.

Ladite enceinte lubrifiée peut être fermée d’une part à son extrémité amont par deux joints d’étanchéité séparés longitudinalement et disposés dans une cavité amont dans laquelle de l’air sous pression provenant dudit compresseur électrique est introduit, et d’autre part à son extrémité aval par deux joints d’étanchéité séparés longitudinalement et disposés dans une cavité aval dans laquelle de l’air sous pression provenant dudit compresseur électrique est introduit.

Le circuit de refroidissement peut être configuré pour acheminer l’air prélevé vers ladite cavité amont et/ou vers ladite cavité aval.

Le compresseur électrique peut être configuré pour introduire de l’air pressurisé à travers le joint aval de la cavité amont et du joint amont de la cavité aval.

L’ensemble peut comprendre au moins une pompe d’alimentation en huile configurée pour alimenter ladite au moins une enceinte lubrifiée en huile et au moins un séparateur air/huile relié à ladite au moins une enceinte lubrifiée et configuré pour récupérer un mélange d’air et d’huile introduits dans ladite enceinte et séparer l’huile et l’air dudit mélange.

Selon un mode de réalisation, ledit au moins compresseur traversé par le flux primaire peut être un compresseur basse pression. L’ensemble peut comprendre une première enceinte lubrifiée en amont du compresseur basse pression et une seconde enceinte lubrifiée en aval du compresseur basse pression. Seule la seconde enceinte lubrifiée peut être reliée au compresseur électrique.

Bien entendu, la première enceinte lubrifiée et la seconde enceinte lubrifiée peuvent être pressurisées par le compresseur électrique.

L’ensemble peut comprendre une pluralité d’enceintes lubrifiées, dont au moins une peut être pressurisée par le compresseur électrique. Toutes les enceintes lubrifiées peuvent être reliées à un unique compresseur électrique. Alternativement, l’ensemble peut comprendre un compresseur électrique pour chaque enceinte lubrifiée.

Selon un mode de réalisation, l’ensemble peut comprendre une vanne, en particulier autonome ou pilotée, par exemple sous la forme d’un clapet anti-retour autonome, ladite vanne étant disposée en dérivation du compresseur électrique et configurée pour court- circuiter le compresseur électrique lorsque la pression au niveau d’un prélèvement d’air dans la veine secondaire pour le compresseur électrique est supérieure à un seuil. Ledit seuil peut être déterminé en fonction des caractéristiques de la turbomachine. Avec une vanne sous la forme d’un clapet anti-retour, celui-ci est fermé quand la pression en aval dudit clapet est supérieure à celle en amont, dans ce cas le compresseur électrique assure la pressurisation de l’enceinte lubrifiée. Le clapet peut être configuré pour s’ouvrir lorsque la différence de pression aux bornes du clapet est supérieure au seuil déterminé, permettant ainsi d’acheminer de l’air vers ladite au moins une enceinte lubrifiée sans utiliser le compresseur électrique. Si la vanne n’est pas un clapet autonome mais un organe piloté, le pilotage de son ouverture pourra être commandé par le calculateur moteur en fonction de différents paramètres d’acquisition à partir desquels la pression au niveau du prélèvement d’air dans la veine secondaire peut être estimée, et notamment en fonction du régime N2.

Selon un mode de réalisation, des moyens d’alimentation électrique du compresseur électrique peuvent être configurés pour interrompre ladite alimentation quand la vanne est dans une position ouverte court-circuitant ledit compresseur électrique.

L’alimentation du compresseur électrique peut être interrompue lorsque la vanne est ouverte, ainsi la consommation du compresseur électrique peut être limitée. Par exemple, l’alimentation du compresseur électrique peut être interrompue ou mise en route avec un décalage temporel entre l’ouverture ou la fermeture de la vanne et la coupure ou l’activation du compresseur électrique, afin de maintenir la différence de pression dans la phase transitoire.

Ladite au moins une enceinte lubrifiée peut comprendre des tubes la traversant et débouchant de part et d’autre, en particulier selon l’axe longitudinal, à l’extérieur de ladite au moins une enceinte lubrifiée, chaque tube débouchant au niveau d’un des joints d’étanchéité de ladite au moins une enceinte lubrifiée et étant alimenté en air sous pression par le compresseur électrique.

L’ensemble peut comprendre un moyen de régulation du compresseur électrique pour respecter une différence de pression déterminée entre un côté amont et un côté aval de chaque joint d’étanchéité. Ladite différence de pression peut être déterminée par dimensionnement, de sorte à fournir la pression juste nécessaire pour assurer un débit d’air traversant les joints d’étanchéité permettant d’éviter toute fuite d’huile de ladite au moins une enceinte lubrifiée vers l’extérieur. Le moyen de régulation du compresseur électrique peut être configuré pour commander une puissance du compresseur électrique pour atteindre ladite différence de pression déterminée aux bornes des joints d’étanchéité de ladite au moins une enceinte lubrifiée

Une ou plusieurs enceintes lubrifiées peuvent être prévues pour différents rotors tournants de la turbomachine, tel qu’une soufflante de la turbomachine, un rotor d’un compresseur de la turbomachine, ou encore un rotor d’une turbine de la turbomachine.

Le compresseur électrique peut être relié à un moteur électrique alimenté électriquement par une batterie ou un générateur ou un réseau électrique interne d’un aéronef comprenant le turbomachine, prévus dans un aéronef comprenant ladite turbomachine. Le moteur et/ou la batterie ou le générateur peuvent être agencées dans une zone relativement froide de la turbomachine.

Le présent document concerne une turbomachine, en particulier pour aéronef, comprenant un ensemble tel que précité.

Brève description des figures

[Fig. 1] représente une enceinte lubrifiée selon l’art antérieur,

[Fig. 2] représente schématiquement une partie amont d’une turbomachine comprenant une enceinte lubrifiée selon le présent document.

Description détaillée de l’invention

La figure 2 montre une partie amont d’une turbomachine à double flux comprenant d’amont en aval, suivant la direction de circulation des flux dans la turbomachine, un compresseur basse pression 102, un compresseur haute pression 104 rotatifs autour d’un arbre basse pression 108. Les compresseurs basse pression 102 et haute pression 104 sont agencés dans une veine primaire 103, délimitée par un carter intermédiaire interne 113, dans laquelle circule un flux primaire F1. La turbomachine comprend une veine secondaire 105, délimitée par un carter externe 115 et un carter intermédiaire externe 111 , et dans laquelle circule un flux secondaire F2, entourant la veine primaire 103.

La turbomachine comprend une première enceinte lubrifiée 110 et une seconde enceinte lubrifiée 112. La première enceinte lubrifiée 110 comprend un palier de roulement et est fermée de façon étanche par un joint d’étanchéité amont 110-1 et un joint d’étanchéité aval 110-2. La seconde enceinte lubrifiée 112 comprend un palier de roulement et est fermée de façon étanche par un joint d’étanchéité amont 112-1 et un joint d’étanchéité aval 112-2.

Les joints d'étanchéité 110-1 , 110-2, 112-1 et 112-2 sont de préférence des joints à labyrinthe.

Un lubrifiant, en particulier de l’huile, est injectée dans les enceintes lubrifiées 110 et 112 pour refroidir le palier de l’enceinte lubrifiée 110 ou 112. Pour éviter la fuite du lubrifiant par les joints d’étanchéité 112-1 et 112-2, de l’air sous pression est injecté dans l’enceinte lubrifiée 112.

A cet effet, la turbomachine comprend un compresseur électrique 116 motorisé qui peut être alimenté par un circuit électrique de la turbomachine. Par exemple, le compresseur électrique 116 peut comprendre un moteur électrique alimenté par une batterie ou un générateur, indépendants de la turbomachine.

Le compresseur électrique 116 est relié aux joints d’étanchéité 112-1 et 112-2 par des conduits 118, lesquelles traversent l’enceinte lubrifiée par deux tubes 120 aménagés dans l’enceinte lubrifiée 112. Ces tubes peuvent être externes à l’enceinte lubrifiée 112 de sorte que l’air contourne l’enceinte lubrifiée 112.

Le compresseur électrique 116 comprime de l’air prélevé dans la veine secondaire 105 qui est acheminé par les conduits 118 aux joints d’étanchéité 112-1 et 112-2, pour assurer un niveau de pressurisation dans l’enceinte lubrifiée 112.

Ainsi, le compresseur électrique 116 permet de pressuriser l’enceinte lubrifiée 112 indépendamment du régime de fonctionnement de la turbomachine. L’étanchéité de l’enceinte lubrifiée 112 est donc plus fiable.

Le compresseur électrique 116 est agencé dans un compartiment inter-veine 122 délimité par le carter intermédiaire interne 113 et par le carter intermédiaire externe 111. Le compresseur électrique 116 est agencé longitudinalement au niveau du compresseur haute pression 102. Ainsi, le compresseur électrique 116 se trouve dans une zone relativement froide comparé à la veine primaire 103.

La turbomachine comprend en outre un circuit de refroidissement 124 des alésages du compresseur haute pression ou du compresseur basse pression par l’effet dit « bore cooling » en anglais. Le circuit de refroidissement 124 est configuré pour prélever de l’air au plan 25 (P25), en aval du compresseur basse pression 102 et en amont du compresseur haute pression 104. L’air prélevé est acheminé par le circuit de refroidissement 124 vers l’aval sous le compresseur haute pression 104 et une partie de l’air prélevé s’échappe dans la veine primaire 103 au niveau du compresseur basse pression 102 par des léchettes.

Le circuit de refroidissement 124 est en outre configuré pour acheminer l’air prélevé vers l’enceinte lubrifiée 110 qui servira à la fois au refroidissement et à la pressurisation de l’enceinte lubrifiée 110.

Pour dissocier le circuit de refroidissement 124 de l’air pressurisé par le compresseur électrique 116, des joints d’étanchéité 126-1 et 126-2 sont prévus en amont et en aval de chaque joint d’étanchéité 112-1 et 112-2, respectivement, de l’enceinte lubrifiée 122, formant ainsi une cavité amont 128-1 et une cavité aval 128-2 de chaque côté de l’enceinte lubrifiée 112. Lors des phases de fonctionnement du turboréacteur à moyen ou haut régime, l’air prélevé au plan 25 par le circuit de refroidissement 124 peut être à une pression supérieure à la pression fournie par le compresseur électrique et s’introduit alors dans les cavités aménagées 128 à travers les joints d’étanchéité 126-1 et 126-2 qui ne peuvent pas être parfaitement étanches. A faible régime au contraire, la circulation de l’air dans les joints 126- 1 et 126-2 va s’inverser, la pression fournie par le compresseur électrique étant supérieure à celle de l’air prélevé au plan 25. Les joints 126-1 et 126-2 créent alors des lignes de fuite, relativement minimes toutefois, ce qui est pris en compte pour adapter le débit du compresseur électrique de façon à garantir une différence de pression suffisante aux niveaux des joints 112-1 et 112-2 de l’enceinte.

La turbomachine peut comprendre en outre une vanne 117 disposée en dérivation du compresseur électrique 116 pour by-passer le compresseur si la pression dans la veine secondaire, en amont du compresseur 116, est supérieure à un seuil déterminé qui permet la pressurisation de l’enceinte lubrifiée 112 sans avoir recours au compresseur. De préférence, la vanne 117 est un capet anti-retour et permet d’acheminer de l’air de pressurisation provenant de la veine secondaire (en aval de la soufflante) vers l’enceinte lubrifiée 112 sans l’utilisation du compresseur 116. Les phases de vol de l’aéronef dans lesquelles la poussée de la turbomachine est proche de la pleine puissance sont particulièrement adaptées pour la mise en oeuvre du by-pass du compresseur 116, puisque la pression de l’air dans la veine secondaire est relativement élevée. L’alimentation du compresseur électrique étant de préférence interrompue pendant que la vanne 117 est ouverte, cela présente un avantage non seulement de diminution de la consommation électrique mais aussi de diminution possible du prélèvement mécanique, typiquement sur un arbre moteur, effectué par au moins un générateur électrique fournissant l’énergie nécessaire au compresseur électrique 116. Ainsi, l’ensemble de lubrification et de pressurisation d’enceinte selon l’invention n’impacte pas l’opérabilité de la turbomachine, et en particulier cette opérabilité est préservée même lors des phases de vol nécessitant un fonctionnement à haut régime moteur. De plus, en cas de panne du compresseur électrique 116, la pressurisation de l’enceinte reste assurée grâce au by-pass du compresseur en opérant la turbomachine au-delà d’un certain régime moteur, ce qui est avantageux en termes de sécurité.

La turbomachine peut comprendre en outre une pompe d’alimentation en huile configurée pour alimenter les enceintes lubrifiées 110 et 112 en huile.

La turbomachine peut comprendre un séparateur air/huile relié aux enceintes lubrifiées 110 et 112. Le séparateur air/huile peut être configuré pour récupérer un mélange d’air et d’huile introduits dans les enceintes lubrifiées 110 et 112 et séparer l’huile et l’air dudit mélange. La turbomachine peut être modifiée pour que le compresseur électrique 116 pressurise en outre l’enceinte lubrifiée 110. Alternativement, la turbomachine peut comprendre un compresseur électrique supplémentaire pour pressuriser l’enceinte lubrifiée 110, indépendamment de l’enceinte lubrifiée 112.