Brevet FR2922258A1 — publié le 20090417

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LUBRIFICATION ET D'ALIMENTATION EN CARBURANT D'UNE TURBOMACHINE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention est relative au domaine de la lubrification et de l'alimentation en carburant d'une turbomachine. Elle a trait plus particulièrement à un nouveau procédé de lubrification permettant d'injecter le liquide ayant servi à la lubrification dans le circuit d'alimentation en carburant déjà prévu à cet effet. Elle concerne également un dispositif 15 particulièrement adapté à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Dans toutes les turbomachines actuellement connues, l'huile moteur, c'est-à-dire celle qui sert à la lubrification des éléments fonctionnels implantés 20 dans la turbomachine, est refroidie par le carburant. Cela est visible sur la figure 1 où, comme décrit ultérieurement, l'huile moteur circule en circuit fermé 1 depuis un réservoir 2 et, après chaque passage dans la turbomachine 3, elle passe par un réchauffeur 4 des 25 servomécanismes de la turbomachine puis est refroidie par un échangeur 5 huile/carburant. La température d'équilibre atteinte par l'huile dans ce circuit fermé 1 est élevée. Or, pour les turbomachines futures, les 30 puissances envisagées ne sont plus compatibles avec les capacités de refroidissement du circuit d'alimentation en carburant. En d'autres termes, il semble désormais nécessaire d'utiliser d'autres sources froides. Une solution qui viendrait à l'esprit serait d'utiliser de l'air. Or, l'utilisation d'échangeurs air/huile est très pénalisante en terme de masse, de coût et de performances pour la turbomachine (fort impact sur la consommation spécifique), et pose de gros problèmes d'installation. D'autre part, si l'on ne refroidit pas l'huile correctement, le circuit d'huile va rapidement s'encrasser et conduire à l'arrêt de la turbomachine. Le but de l'invention est alors de proposer une solution qui pallie les inconvénients précités et, donc, qui permette de refroidir efficacement les éléments d'une turbomachine de forte puissance, sans nuire à sa masse, son coût ou ses performances. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de lubrification et d'alimentation en carburant d'une turbomachine dans lequel on réalise les étapes suivantes . - lubrification d'éléments de la turbomachine à lubrifier au moyen d'une huile et/ou du carburant, - récupération de l'huile et/ou du carburant ayant servi(s) à la lubrification, - injection de l'huile et/ou carburant récupéré(s) dans le circuit d'alimentation en carburant en vue d'alimenter des éléments de la turbomachine servant à la combustion tels que les injecteurs. Selon l'invention, on ne refroidit plus l'huile moteur pour la réinjecter dans la turbomachine, mais on la brûle dès sa sortie de l'intérieur de la turbomachine. On s'en sert donc également pour la combustion, cette huile n'étant plus utilisable pour la lubrification. En effet, les huiles actuelles étant limitées en tenue en température, elles se dégradent lors de leur passage dans les enceintes des turbomachines. Selon l'invention, on n'utilise donc l'huile qu'une fois dans la turbomachine, on la mélange avec le carburant à sa sortie et on utilise ce mélange pour la combustion. Comme décrit ultérieurement, le procédé selon l'invention peut très bien être réalisé uniquement avec du kérosène qui joue donc à la fois le rôle de lubrifiant et de carburant. Les avantages du procédé selon l'invention sont nombreux . - la suppression d'échangeurs huile/carburant tels qu'utilisés actuellement, -l'utilisation d'un mélange d'huile ayant servi à la lubrification/carburant permet de réduire la consommation en carburant de la turbomachine, - l'utilisation possible de biocarburant comme huile de lubrification et carburant en lieu et place du kérosène, - l'utilisation possible d'huiles végétales, d'esters éthyliques ou méthyliques d'huile végétale (colza par exemple) moins chers : en effet, du fait que l'huile circule une seule fois dans la turbomachine et reste donc peu de temps, il est possible de se dispenser d'huiles classiques à haute tenue thermique et relativement chères, - la réduction du débit dans le circuit de lubrification traversant la turbomachine : en effet, la configuration en circuit ouvert du liquide servant une seule fois à la lubrification permet d'assurer une température d'alimentation en amont de la turbomachine plus froide (d'au moins 60°C inférieure à la température de l'huile de lubrification actuellement utilisée en circuit fermé). De ce fait, le refroidissement des éléments à lubrifier, tels que les roulements, peut se faire avec un débit réduit par rapport aux débits classiques actuellement utilisés, - la capacité de refroidissement du carburant, qui n'est pas utilisée dans l'invention, peut être mise à profit pour le refroidissement d'équipements tels que les générateurs d'électricité pour un avion, ou de starter-générateurs de future génération (utilisés pour le démarrage et la génération électrique. Dans des architectures classiques, ces équipements nécessitent un refroidissement complémentaire par des échangeurs air/huile placés dans la veine, qui est donc pénalisant en terme de masse et de performance. L'invention concerne également un dispositif de lubrification et d'alimentation en carburant d'une turbomachine comprenant : - un réservoir d'huile et/ou de carburant, - une pompe d'alimentation en huile et/ou en carburant d'éléments de la turbomachine à lubrifier et raccordée au réservoir, - une pompe de récupération d'huile et/ou de carburant ayant servi(s) à la lubrification d'éléments de la turbomachine à lubrifier, - un circuit de lubrification de la turbomachine traversant ladite turbomachine et raccordé, en amont de la turbomachine, à la pompe d'alimentation et, en aval de la turbomachine, à la pompe de récupération, - des moyens d'injection, raccordés en aval à la pompe de récupération, pour injecter l'huile et/ou le carburant récupéré(s) dans le circuit d'alimentation en carburant en vue d'alimenter des éléments de la turbomachine servant à la combustion tels que les injecteurs. Avantageusement, les moyens d'injection sont prévus pour injecter l'huile et/ou le carburant dans le circuit d'alimentation en carburant en amont de la chambre de combustion de la turbomachine. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend un réservoir d'huile séparé du réservoir de carburant, la pompe d'alimentation d'éléments de la turbomachine à lubrifier étant distincte du circuit d'alimentation en carburant et raccordée au réservoir d'huile. Selon ce mode de réalisation avantageux, et dans le cas où la turbomachine est de type montée sur un aéronef, le réservoir d'huile est implanté de préférence à l'intérieur des ailes de l'aéronef. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend un unique réservoir de carburant, la pompe d'alimentation d'éléments de la turbomachine à lubrifier étant une pompe basse pression du circuit d'alimentation en carburant et raccordée au réservoir unique. Selon cet autre mode de réalisation, le carburant est avantageusement du kérosène ou un mélange de kérosène et d'huile. Pour réinjecter l'huile et/ou le carburant ayant servi au préalable à la lubrification, trois variantes peuvent être envisagées. Selon la première variante, les moyens d'injection de l'huile et/ou du carburant récupéré(s), sont raccordés à la pompe de récupération, et comprennent une canalisation raccordée en amont d'une pompe basse pression du circuit d'alimentation. Selon une deuxième variante, les moyens d'injection de l'huile et/ou du carburant récupéré(s), sont raccordés à la pompe de récupération, et comprennent une canalisation raccordée entre une pompe basse pression et une pompe haute pression du circuit d'alimentation. Selon une troisième variante, les moyens d'injection de l'huile et/ou du carburant récupéré(s), sont raccordés à la pompe de récupération, et comprennent une canalisation raccordée en aval d'une pompe haute pression du circuit d'alimentation et en amont des éléments de la turbomachine servant à la combustion tels que les injecteurs. L'invention concerne enfin un turboréacteur ou turbopropulseur comprenant un dispositif tel que décrit précédemment. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée faite en référence aux figures suivantes dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'une architecture d'un dispositif de lubrification et d'alimentation en carburant d'une turbomachine connue, - les figures 2A, 2B et 2C sont respectivement chacune une représentation schématique d'une architecture d'un dispositif de lubrification et d'alimentation en carburant d'une turbomachine selon un premier mode de réalisation de l'invention mais selon trois variantes A, B, C différentes, - la figure 3 est une représentation schématique d'une architecture d'un dispositif de lubrification et d'alimentation en carburant d'une turbomachine selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur les figures, les termes � amont � et � aval � sont à comprendre en relation avec le sens de circulation du liquide depuis son réservoir, c'est-à-dire d'huile et/ou carburant à fonction de lubrification ou carburant à fonction uniquement de combustible dans la chambre de combustion. Sur la figure 1, le dispositif connu comprend un circuit fermé 1 dans lequel circule l'huile dite � huile moteur � depuis un réservoir 2 et, après chaque passage dans la turbomachine 3, elle passe par un réchauffeur 4 des servomécanismes de la turbomachine puis est refroidie par un échangeur 5 huile/carburant. Le réservoir 2 a typiquement une valeur de l'ordre de 20 litres. Cet échangeur 5 est monté sur le circuit d'alimentation 6 en carburant de la turbomachine 3. La température d'équilibre de l'huile est élevée, typiquement de l'ordre de 130°C. Ce circuit d'alimentation en carburant 6 est ouvert et comprend un réservoir 60 rempli de kérosène dont l'aval est raccordé à une pompe basse pression 61 elle-même raccordée en aval à l'échangeur 5 lui-même raccordé en aval à une pompe haute pression 62. Selon l'invention, sur les figures 2 et 3, les circuits de liquide de lubrification 1 (huile et/ou carburant à fonction de lubrification) et d'alimentation en carburant 6 à fonction uniquement de combustible sont tous les deux ouverts et ne sont pas liés par des échangeurs. En d'autres termes, les architectures des dispositifs selon l'invention ne comprennent pas d'échangeurs comparativement à l'art antérieur. Le circuit de lubrification 1 est, selon l'invention, commun au circuit d'alimentation en combustible 6. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le dispositif selon l'invention prévoit tout d'abord un réservoir 2 dont la contenance est supérieure à celle du réservoir selon l'état de l'art et représenté en figure 1. En effet, selon l'invention, l'huile étant consommée comme partie du combustible, elle ne circule pas en boucle fermée et donc une contenance supérieure doit être prévue. Ainsi, typiquement le réservoir 2 selon l'invention a une contenance de l'ordre d'une dizaine m3. Dans le cas ou il s'agit d'une turbomachine d'aéronef, il va de soi que son dimensionnement sera fait en fonction de la consommation d'huile nécessaire à un cycle de l'aéronef, allant du simple au long courrier pour un avion. Les dimensions ne présentent pas un handicap de masse car l'huile servant à la combustion peut avantageusement être stockée dans un caisson approprié dans une ou toutes les ailes d'avion. Le dispositif selon l'invention comprend également une pompe 10 d'alimentation en huile et/ou en carburant d'éléments de la turbomachine 3 à lubrifier et raccordée au réservoir 2. Il comprend également une pompe 11 de récupération d'huile et/ou de carburant ayant servi(s) à la lubrification d'éléments de la turbomachine 3 à lubrifier. Dans le mode de réalisation de la figure 2 (lubrification mixte huile/carburant), l'huile est donc récupérée par la pompe 11 puis désaérée. Dans le mode de la réalisation de la figure 2, l'huile dédiée à la lubrification ne subit pas de recirculation. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser des huiles à haute tenue en température comme selon le mode de réalisation de l'état de l'art représenté à la figure 1. Selon l'invention, on pourra donc utiliser des huiles végétales ou des esters éthyliques ou méthyliques d'huile végétale. Le choix de l'huile pourra se faire suivant la valeur de son pouvoir calorifique, de sa densité, de son prix... La durée de séjour de l'huile à l'intérieur de la turbomachine 3 étant très courte, il est possible d'admettre une température d'huile à la sortie de la turbomachine 3 plus élevée. De plus, si l'huile est présente à l'intérieur d'une aile d'aéronef, sa température à l'entrée de la turbomachine 3 est relativement faible. Aussi, l'augmentation de température de l'huile à la traversée de la turbomachine 3 peut être plus importante que dans les turbomachines actuellement existantes, tel que celui représenté sur la figure 1, et, en conséquence, les débits d'huile pourront être réduits. Il est possible ainsi, selon le mode de réalisation de la figure 2, de trouver le meilleur compromis entre débit d'huile pour la lubrification et débit d'huile pour la combustion afin d'avoir un ratio huile/carburant optimal en termes de consommation et donc de coût. Tel qu'illustré aux figures 2 (2A, 2B et 2C) et 3, le circuit de lubrification de la turbomachine 3 le traverse et est raccordé, en amont à la pompe d'alimentation 10 et en aval de la turbomachine à la pompe de récupération 11. Raccordés en aval à la pompe de récupération 11, sont prévus, selon trois variantes différentes A, B ou C, des moyens d'injection 61, 62, 63, 64, 65, pour injecter l'huile et/ou le carburant récupéré(s) dans le circuit d'alimentation en carburant 1 par la pompe 11 en vue d'alimenter les injecteurs et servomécanismes de la turbomachine 3. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le liquide de lubrification est constitué uniquement par le mélange huile/carburant à fonction de combustible, et le dispositif de l'invention comprend donc un unique réservoir 2, 60. Le ratio huile/carburant tel que de l'huile/kérosène sera avantageusement choisi pour optimiser les performances de la turbomachine et/ou les économies de carburant. Dans ce mode de réalisation de la figure 3, la pompe d'alimentation en lubrifiant 10 est constituée par la pompe basse pression 61 du circuit d'alimentation 6 en carburant et la réinjection du lubrifiant dans ce dernier se fait de manière analogue au mode de réalisation de la figure 2, c'est-à-dire selon les trois variantes A, B, C détaillées ci-après. Selon la variante A illustrée à la figure 2A, les moyens d'injection du lubrifiant (huile et/ou carburant) récupéré sont raccordés à la pompe de récupération 11, et comprennent une canalisation 63 raccordée en amont de la pompe basse pression 61 du circuit d'alimentation en carburant 6. Selon la variante B illustrée à la figure 2B, les moyens d'injection du lubrifiant (huile et/ou carburant) récupéré sont raccordés à la pompe de récupération 11, et comprennent une canalisation 64 raccordée entre la pompe basse pression 61 et la pompe haute pression 62 du circuit d'alimentation 6. Selon la variante C illustrée à la figure 2C, les moyens d'injection du lubrifiant (huile et/ou carburant) récupéré sont raccordés à la pompe de récupération 11, et comprennent une canalisation 65 raccordée en aval de la pompe haute pression 62 du circuit d'alimentation et en amont des éléments du turboréacteur servant à la combustion tels que les injecteurs, ou des servomécanismes. Les variantes A et B sont les plus simples à réaliser d'un point de vue hydraulique car les différences de pression entre huile et carburant sont les plus faibles. Selon les variantes A et B, c'est-à-dire lorsque l'huile est injectée en amont de la pompe haute pression 62, elle permet de réchauffer par mélange le carburant dédié aux servomécanismes et donc, d'éviter ainsi le phénomène de givrage du carburant utilisé pour la régulation. REVENDICATIONS 1. Procédé de lubrification et d'alimentation en carburant d'une turbomachine (3) dans lequel on réalise les étapes suivantes : -lubrification d'éléments de la turbomachine (3) à lubrifier au moyen d'une huile et/ou du carburant, - récupération de l'huile et/ou du carburant ayant servi(s) à la lubrification, - injection de l'huile et/ou carburant récupéré(s) dans le circuit d'alimentation (6) en carburant en vue d'alimenter des éléments de la turbomachine (3) servant à la combustion tels que les injecteurs. 2. Dispositif de lubrification et d'alimentation en carburant d'une turbomachine comprenant : - un réservoir d'huile (2, 60) et/ou de carburant, - une pompe (10, 61) d'alimentation en huile et/ou en carburant d'éléments de la turbomachine (3) à lubrifier et raccordée au réservoir, -une pompe (11) de récupération d'huile et/ou de carburant ayant servi(s) à la lubrification d'éléments de la turbomachine à lubrifier, - un circuit de lubrification (1) de la turbomachine traversant ladite turbomachine et raccordé, en amont de la turbomachine (3), à la pomped'alimentation (10, 61) et, en aval de la turbomachine, à la pompe de récupération (11), - des moyens d'injection (61, 62, 63, 64, 65), raccordés en aval à la pompe de récupération (11), pour injecter l'huile et/ou le carburant récupéré(s), dans le circuit d'alimentation en carburant (6) en vue d'alimenter des éléments de la turbomachine (3) servant à la combustion tels que les injecteurs. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens d'injection sont prévus pour injecter l'huile et/ou le carburant dans le circuit d'alimentation en carburant en amont de la chambre de combustion de la turbomachine (3). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, comprenant un réservoir d'huile (2) séparé du réservoir de carburant (60), la pompe d'alimentation d'éléments de la turbomachine à lubrifier étant distincte du circuit d'alimentation en carburant (6) et raccordée au réservoir d'huile (2). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la turbomachine est une turbomachine d'aéronef, lequel aéronef comprend des ailes à l'intérieur desquelles est implanté le réservoir d'huile (2, 60). 6. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, comprenant un unique réservoir de carburant (2, 60), la pompe d'alimentation d'éléments du moteur àlubrifier étant une pompe basse pression (61) du circuit d'alimentation en carburant (6) et raccordée au réservoir unique (2, 60). 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le carburant est du kérosène ou un mélange de kérosène et d'huile. 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel les moyens d'injection de l'huile et/ou du carburant récupéré(s), sont raccordés à la pompe de récupération (11), et comprennent une canalisation (63) raccordée en amont d'une pompe basse pression (61) du circuit d'alimentation (6). 9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel les moyens d'injection de l'huile et/ou du carburant récupéré(s), sont raccordés à la pompe de récupération (11), et comprennent une canalisation (64) raccordée entre une pompe basse pression (61) et une pompe haute pression (62) du circuit d'alimentation (6). 10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel les moyens d'injection de l'huile et/ou du carburant récupéré(s), sont raccordés à la pompe de récupération (11), et comprennent une canalisation (65) raccordée en aval d'une pompe haute pression (62) du circuit d'alimentation (6) et en amont des éléments de laturbomachine (3) servant à la combustion tels que les injecteurs. 11. Turboréacteur (3) ou turbopropulseur 5 comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10.