Brevet FR2925110A1 — publié le 20090619

L'invention concerne un dispositif d'alimentation en huile d'un moteur d'aéronef équipé d'au moins un démarreur-générateur, pour le refroidissement et la lubrification de ce moteur. En particulier, il s'agit d'un moteur d'avion à turbine à gaz. L'invention porte également sur un turbomoteur comportant un tel dispositif d'alimentation en huile. Dans le domaine des turbomachines aéronautiques, on utilise un générateur électrique qui permet d'alimenter électriquement la turbomachine, le PPS (Power Plant System, c'est à dire le moteur et sa nacelle) et/ou l'avion. Egalement, dans certaines configurations, cette machine électrique est utilisée en moteur pour le démarrage de la turbomachine. De tels générateurs de courant électrique sont couramment dénommés des démarreurs-générateurs ou S/G (pour "Starter/Generator") Ce démarreur/générateur doit être alimenté en huile. Dans une turbomachine, l'alimentation en huile permet à la fois de refroidir ce démarreur/générateur et de lubrifier et refroidir ses paliers. Typiquement, le générateur de courant électrique ou démarreur-générateur se compose d'une bobine, formant l'induit, et d'un inducteur, solidaires respectivement du stator et du rotor. Ce démarreur-générateur ayant besoin d'une alimentation en huile, il faut alors dimensionner en conséquence la ou les pompe fournissant la pression d'huile et le débit suffisants à la fois au fonctionnement du démarreur générateur et aux besoins des enceintes moteur, alors que par ailleurs les besoins en refroidissement par huile des moteurs augmentent avec l'évolution technologique (nouvelles enceintes, vitesses de rotation plus élevées, puissances mécaniques à transmettre plus élevées...). Dans la suite du texte, on entend par � enceintes moteur �, les enceintes moteur proprement dites et les autres enceintes mécaniques, hormis le ou les démarreur générateur. Egalement les expressions amont et aval se rapportent au sens d'écoulement de l'huile. En outre, les besoins en huile des enceintes moteur et du démarreur générateur ne sont pas les mêmes à chaque régime du moteur, notamment entre le régime initial du moteur et les plus hauts régimes. En effet, comme il apparaît sur la figure 1 représentant le débit d'huile Q nécessaire en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre moteur (N étant le nombre de tours par minute), le besoin des enceintes moteur (courbe B) s'accommode d'une fonction linéaire du régime, sans pour autant dépasser une limite de noyage des enceintes, tandis que le besoin en huile du ou des démarreur générateur (courbe A) est très peu dépendant du régime. Plus précisément, l'alimentation en huile du ou des démarreur générateur (courbe A) nécessite un débit atteignant rapidement un niveau important (à partir de la vitesse de rotation NO correspondant au démarrage), pour ensuite se maintenir à un niveau de débit sensiblement constant pour les étapes suivantes du régime initial du moteur, à savoir les régimes de ralenti au sol (vitesse N1), de décollage (vitesse N2) puis de croisière (au-delà de la vitesse N2). Ainsi, le débit total nécessaire (courbe C) pour satisfaire les besoins entre les enceintes moteur et le ou les démarreur(s) générateur(s) évolue avec le régime du moteur selon un besoin qui augmente très rapidement au départ jusqu'au démarrage (correspondant à la vitesse de rotation NO). Généralement, pour répondre à ces besoins, on utilise une pompe dédiée aux enceintes moteur et, pour le ou les démarreur(s) générateur(s), une pompe mécanique de capacité importante, entraînée par couplage mécanique avec une pièce tournante du moteur, un système de dérivation permettant de réduire le débit en sortie de cette pompe à partir d'un régime élevé pour lequel les besoins en huile du ou des démarreur(s) générateur(s) restent constants. La présente invention a pour objectif de fournir une solution permettant de répondre à tous les besoins en huile du moteur et des démarreurs générateurs, notamment pour chaque stade du régime initial du moteur entre le démarrage et de décollage, avec une masse minimum et quelle que soit la configuration de l'implantation du ou des démarreur générateur. A cet effet, selon la présente invention, le dispositif d'alimentation en huile d'un moteur d'aéronef équipé d'au moins un démarreur-générateur, comprend une première unité d'alimentation en huile des enceintes moteurs et une deuxième unité d'alimentation en huile du ou des démarreur-générateur. La deuxième unité d'alimentation en huile du ou des démarreur-générateur comporte au moins une pompe principale entraînée par couplage mécanique avec le moteur, et de façon caractéristique ladite deuxième unité d'alimentation comporte en outre au moins une pompe auxiliaire d'assistance au démarrage qui présente une puissance suffisante pour l'alimentation en huile du ou des démarreur-générateur, ladite pompe auxiliaire d'assistance au démarrage étant placée en parallèle de ladite pompe principale. De cette manière, s'agissant de la deuxième unité d'alimentation en huile du ou des démarreur-générateur, on comprend que par l'utilisation d'une pompe auxiliaire d'assistance au démarrage apte à subvenir aux besoins en énergie initiaux du ou des démarreur-générateur, c'est-à-dire à fournir le débit significatif requis par le ou les démarreur-générateur dès le régime de démarrage, on peut conserver une pompe principale mécanique dimensionnée pour répondre aux besoins du ou des démarreur-générateur après le régime de démarrage . De cette façon, la pompe principale de la deuxième unité d'alimentation en huile n'a donc pas à être surdimensionnée pour assurer les besoins en huile déjà importants du régime de démarrage.. Cette solution consistant à rajouter une pompe auxiliaire d'assistance présente aussi l'avantage que cet équipement n'est utilisé pendant une période de temps limitée au début du régime du moteur de sorte qu'il y a peu de temps de fonctionnement et donc peu de maintenance. Selon une disposition préférentielle, la pompe auxiliaire est électrique et alimentée par le réseau électrique du moteur ou de l'avion. En outre, de préférence, ladite pompe principale est apte à fournir un débit d'huile suffisant au fonctionnement du ou des démarreur-générateur à partir du régime de ralenti au sol ou G/I pour � ground idle �. Ainsi, dans ce cas, on peut faire en sorte que la pompe auxiliaire d'assistance fonctionne seulement jusqu'au régime de ralenti au sol, la pompe principale fournissant à partir de ce moment à elle seule un débit d'huile total suffisant pour le ou les démarreur(s) générateur(s). On comprend que grâce à la présence de la pompe auxiliaire, la pompe principale de la deuxième unité d'alimentation en huile du ou des démarreur-générateur n'a plus à être dimensionnée pour le fonctionnement du turbomoteur au démarrage. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, illustre les variations de débit en huile à fournir pour les enceintes moteur, le ou les démarreur générateur et pour l'ensemble ; - la figure 2 est un exemple d'architecture huile pour un 10 turbomoteur comportant deux démarreurs générateurs intégrés au circuit d'huile du reste du moteur ; et - la figure 3 est un exemple d'architecture huile pour un turbomoteur comportant deux démarreurs générateurs non intégrés au circuit d'huile du reste du moteur. 15 On se reporte maintenant à la figure 2 présentant, à titre d'exemple, un mode de réalisation dans lequel le turbomoteur comporte deux démarreurs générateurs intégrés au circuit d'huile du reste du moteur. Le circuit d'huile 10 représenté comporte une première unité 20 d'alimentation en huile 110 dédiée aux enceintes moteur et une deuxième unité d'alimentation en huile 120 dédiée à deux démarreurs-générateurs 21 et 22. Il s'agit d'une architecture dite � intégrée � dans laquelle la deuxième unité d'alimentation 120 en huile des deux démarreurs- 25 générateurs est reliée à la première unité d'alimentation en huile 110 dans un circuit d'huile 10 commun. De façon générale cette architecture dite � intégrée � permet à la deuxième unité d'alimentation en huile 120 du ou des démarreur-générateur (un seul démarreur-générateur, deux démarreurs-générateurs 30 ou plus de deux démarreurs-générateurs) d'être reliée à la première unité d'alimentation en huile 110 dans un circuit d'huile commun 10. La première unité d'alimentation en huile 110 comporte un réservoir d'huile 111 à la sortie duquel est disposée une valve anti-fuite 112 à partir de laquelle une dérivation 113 permet de distinguer la 35 deuxième unité d'alimentation 120 de la première unité d'alimentation en huile 110. En aval de cette dérivation 113, une première branche du circuit d'huile 10 débute la première unité d'alimentation en huile 110 qui se compose des éléments habituels permettant de couvrir les besoins en huile des enceintes moteurs : - une pompe 114, qui est en général une pompe de type mécanique, c'est-à-dire qu'elle est entraînée par couplage mécanique avec une pièce tournante du turbomoteur, par exemple du type pompe volumétrique; - un premier ensemble de filtration 115 de l'huile, - un premier ensemble d'échange de chaleur 116 comportant un échangeur thermique pour le refroidissement à l'air de l'huile (� Engine ACOC �) , utilisant l'air provenant du flux secondaire de la turbo-machine, un réchauffeur permettant un échange thermique entre l'huile et le carburant (� SFH �) et un autre échangeur (� MHX �) permettant lui aussi un échange entre l'huile et le carburant; - à la sortie de l'ensemble d'échange de chaleur 116, le circuit se divise pour alimenter en huile de refroidissement et de lubrification chaque enceinte moteur : le support d'équipement (ou AGB pour �Accessory Gearbox �) de la soufflante 11, le boîtier de renvoi d'angle (ou TGB pour � Transfer Gearbox �) 12, l'enceinte avant 13 (ou � Forward sump �), l'enceinte arrière 14 (ou � Rear sump �), la turbine à air et un boitier d'engrenages 15 (ou � Air Turbine and Reduction Gear �) et le support d'équipement (ou AGB pour � Accessory Gearbox �) du corps 16 du turbomoteur ; - à la sortie de chacune de ces enceintes 11 à 16 est prévu une crépine 117 et une pompe de récupération 118, - ensuite, ces circuits d'alimentation propres à chaque enceinte moteur 11 à 16 se rejoignent avant un deuxième ensemble de filtration 119 de l'huile à la sortie duquel l'huile retourne dans le réservoir 111. La pompe 114 de la première unité d'alimentation en huile 110 est adaptée pour répondre, quel que soit le régime du moteur, aux besoins en huile des enceintes 11 à 16 du turbomoteur formant dans cet exemple les enceintes moteur. Dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 2, le moteur est équipé de deux démarreurs-générateurs 21 et 22, et la deuxième unité d'alimentation 120 alimentant en huile les deux démarreurs-générateurs 21 et 22 comporte une seule pompe principale 130 et une seule pompe auxiliaire d'assistance au démarrage 140. La deuxième unité d'alimentation 120 qui comporte des éléments spécifiques permettant de couvrir les besoins en huile des deux démarreurs-générateurs 21 et 22 se trouve en aval de la dérivation 113, au niveau d'une deuxième branche du circuit d'huile 10, et comporte d'amont en aval : - la pompe principale 130 qui est une pompe de type mécanique, c'est-à-dire qu'elle est entraînée par couplage mécanique avec une pièce tournante du turbomoteur, par exemple du type pompe volumétrique; - un troisième ensemble de filtration 125 de l'huile, - un deuxième ensemble d'échanges de chaleur 126 comportant un échangeur thermique pour le refroidissement à l'air de l'huile, utilisant l'air provenant de du flux secondaire de la turbo-machine (� S/G ACO �) , un réchauffeur permettant un échange thermique entre l'huile et le carburant ; - à la sortie de l'ensemble d'échanges de chaleur 126, le circuit se divise pour alimenter en huile de refroidissement et de lubrification 20 chacun des deux démarreurs-générateurs 21 et 22. A titre d'exemple non limitatif, les démarreurs-générateurs 21 et 22 sont placés sur le support d'accessoires (ou support d'équipement) 11 appelé AGB (� Accessory Gear Box �) situé à l'avant du moteur ; en particulier les démarreurs-générateurs 21 et 22 sont placés à la hauteur 25 des aubes directrices de sortie ou OGV (� Outlet Guide Vanes �), dans la partie basse de la soufflante. Une conduite de récupération 127 relie la sortie d'huile des deux démarreurs-générateurs 21 et 22 au circuit de récupération de la première unité d'alimentation en huile 110, en amont du deuxième 30 ensemble de filtration 119. Un circuit secondaire 128 relie chacun des deux démarreurs-générateurs 21 et 22 à l'enceinte moteur correspondant au support d'équipement (ou AGB pour � Accessory Gearbox �) de la soufflante 11. La pompe principale 130 de la deuxième unité d'alimentation 35 120 est une pompe entraînée par couplage mécanique avec le tubomoteur, par exemple en étant solidaire du support d'équipement (ou AGB_ pour � Accessory Gearbox � ou de l'un ou des deux démarreurs-générateurs 21 et 22. Selon l'invention, une pompe auxiliaire d'assistance au démarrage 140 est montée en parallèle de la pompe principale 130 de la deuxième unité d'alimentation 120. Cette pompe auxiliaire d'assistance au démarrage 140 est électrique : le moteur électrique 143 qui commande la pompe auxiliaire d'assistance au démarrage 140 prenant l'énergie électrique nécessaire sur le réseau d'alimentation électrique du turbomoteur 144 (ou PPS Electrical Network pour � Power Plant System Electrical Network �). En effet, pour répondre aux besoins en huile des deux démarreurs-générateurs 21 et 22 dès le démarrage, une puissance électrique de quelques kW suffit, pendant une période de temps très courte (de l'ordre de 30 secondes) et peut être prélevée sur le réseau d'alimentation du turbomoteur sans nuire au bon fonctionnement du reste des équipements électriques. Plus précisément, la gestion de l'alimentation en huile (refroidissement et lubrification) des deux démarreurs-générateurs 21 et 22 s'effectue de la façon suivante : - au démarrage (ou � start �), on active ladite pompe auxiliaire d'assistance au démarrage 140 qui complète la fourniture en huile procurée par ladite pompe principale 130 qui va en augmentant avec la vitesse de rotation de la turbine, afin de satisfaire aux besoins des démarreurs-générateurs 21 et 22, - ensuite, on arrête la pompe auxiliaire 140 à partir du régime de ralenti au sol (ou G/I pour � ground idle �), la pompe principale 130 satisfaisant alors seule, à partir de ce moment, les besoins en huile des démarreurs-générateurs 21 et 22. On comprend que la pompe principale 130 satisfait également les besoins en huile des démarreurs-générateurs 21 et 22 pendant les régimes de décollage (ou T/O pour � take off �) et de croisière (� Cruise �). Ainsi, grâce à la présence de la pompe auxiliaire 140, on répond aux besoins initiaux spécifiques des démarreurs- générateurs 21 et 22, sans trop alourdir l'ensemble. Dans le cas d'un ou de plusieurs démarreurs-générateurs intégrés au circuit d'huile moteur, notamment intégrés au support d'équipement de la soufflante 11 pour former un IGGB ou � Integrated Generator GearBox �, on peut limiter les pertes thermiques du support d'équipement de la soufflante 11 en récupérant le débit d'huile refroidissant les stators. On se reporte maintenant à la figure 3 présentant, à titre d'exemple, un deuxième mode de réalisation dans lequel le turbomoteur comporte deux démarreurs générateurs 21' et 22' séparés du circuit d'huile du reste du moteur. Plus précisément, la deuxième unité d'alimentation en huile 120' du ou des démarreur-générateur est séparée de la première unité d'alimentation en huile 110' du reste du moteur : il n'y a donc aucune communication entre les circuits d'huile formant respectivement la première unité d'alimentation en huile 110' et la deuxième unité d'alimentation en huile 120'. S'agissant de la première unité d'alimentation en huile 110', elle reste conforme à la description faite précédemment en relation avec le premier mode de réalisation de la figure 2, hormis la disparition de dérivation 113 et la séparation avec la deuxième unité d'alimentation en huile 120'. La figure 3 est un exemple d'architecture huile � séparé � dans lequel le moteur est équipé d'un premier démarreur-générateur 21' et d'un deuxième démarreur-générateur 22' et ladite deuxième unité d'alimentation en huile 120' comporte une première pompe principale 131' pour le premier démarreur-générateur 21' et une deuxième pompe principale 132' pour le deuxième démarreur-générateur 22'. Egalement, l'exemple de la figure 3 prévoit que ladite deuxième unité d'alimentation en huile 120' comporte une première et une deuxième pompes auxiliaires 141' et 142', ladite première pompe auxiliaire 141' étant montée en parallèle de la première pompe principale 131' et la deuxième pompe auxiliaire 142' étant montée en parallèle de la deuxième pompe principale 132'. Dans cette configuration, on prévoit que la première et la deuxième pompes auxiliaires 141' et 142' sont électriques et reliées au réseau d'alimentation électrique du turbomoteur 144 (ou PPS Electrical Network pour � Power Plant System Electrical Network �) via un moteur électrique de commande 143. On peut également mettre en oeuvre une solution alternative (non représentée) selon laquelle la deuxième unité d'alimentation en huile comporte une seule pompe auxiliaire montée en parallèle de la première pompe principale et de la deuxième pompe principale, cette seule pompe auxiliaire ayant alors une puissance équivalente à celle des deux pompes auxiliaires 141' et 142'. En référence avec la figure 3, au sein de la deuxième unité d'alimentation en huile 120', le premier (deuxième) démarreur-générateur 21' (22') est montée sur une ligne de circulation d'huile distincte, comportant : - un premier (deuxième) ensemble de filtration 1251 (1252) de l'huile, situé en aval de l'ensemble formé des premières (deuxièmes) pompes principale 131' (132') et auxiliaire 141' (142') et situé en amont du premier (deuxième) démarreur-générateur 21' (22') ; - un premier (deuxième) ensemble d'échanges de chaleur 1261 (1262) comportant un échangeur thermique pour le refroidissement à l'air de l'huile, utilisant l'air provenant du flux secondaire de la turbo-machine (� S/G ACOC �) et un échangeur thermique pour le refroidissement de l'huile par le carburant (� S/G FCOC �); et - un premier (deuxième) réservoir d'huile 1291 (1292), dont l'emplacement peut varier. Le fonctionnement des pompes principales 131' et 132' et auxiliaires 141' et 142' reste identique à celui qui a été exposé précédemment en relation avec le mode de réalisation de la figure 2. L'invention s'applique également à un exemple d'architecture huile � séparé � ou � intégré � ne comportant qu'un seul démarreur-générateur. Ce qui est exposé dans la suite est valable pour les deux types d'architectures qui viennent d'être présentées en relation avec les figures 2 et 3. Sur la partie de gauche des figures 2 et 3, repérée 150, il s'agit des équipements intervenant dans le circuit d'huile 10 et qui sont disposés à l'avant du turbomoteur, à la hauteur de la soufflante, et sur la partie de droite, repérée 160, on considère les équipements intervenant dans le circuit d'huile 10 et qui sont disposés dans la nacelle, à l'arrière de la soufflante. La pompe auxiliaire 140 (les pompes auxiliaire 141' et 142')est (sont) apte(s) à être activée(s) par commande spécifique du moteur électrique associé 143 ; en cas de défaillance de la pompe principale 130 (des pompes principales 131' et 132'), à titre d'assistance d'urgence. Cette activation d'urgence de la pompe auxiliaire 140, ou des pompes auxiliaire 141' et 142', peut être réalisée à partir du régime de ralenti au sol (ou G/I pour � ground idle �), à partir du régime de décollage (ou T/O pour � take off �) ou à partir du régime de croisière (� Cruise �), ou plus généralement à partir de tout régime. Dans ce cas très particulier, la pompe auxiliaire 140 (les pompes auxiliaires 141' et 142')est (sont) alors seule(s) à fournir en huile les démarreurs-générateurs 21 et 22 (21' et 22'), ce qui permet un fonctionnement non optimal, de secours, qui peut être dégradé car les besoins en huile des démarreurs-générateurs 21 et 22 (21' et 22') ne sont pas forcément entièrement satisfaits. Cependant, cette situation permet de réduire le taux de panne des démarreurs-générateurs 21 et 22 (21' et 22') et donc de la fonction de génération électrique en général. Il existe d'autres situations particulières où la présence simultanée de la pompe principale 130 (des pompes principales 131' et 132')et de la pompe auxiliaire 140 (des pompes auxiliaires 141' et 142') d'assistance est utile : si la pompe auxiliaire 140 (les pompes auxiliaires 141' et 142') est (sont) défaillante(s), on réalise tout de même, grâce à la présence de la pompe principale 130 (des pompes principales 131' et 132'), un démarrage selon un mode dégradé qui demande moins de puissance aux démarreurs-générateurs 21 et 22 (21' et 22') et donc engendre moins de dissipation de chaleur, donc un refroidissement nécessaire moindre. Ainsi, la solution présentée permet de répondre à des cas de pannes ou d'autres situations particulières : c'est l'électronique de commande, en particulier le FADEC ou calculateur électronique pleine autorité, qui gère ces situations qui sortent d'un fonctionnement normal. La solution présentée comporte d'autres avantages : outre le fait de peu alourdir le dispositif d'alimentation en huile, elle permet de ne pas détériorer le taux d� REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en huile d'un moteur d'aéronef équipé d'au moins un démarreur-générateur (21, 22 ; 21', 22'), comprenant une première unité d'alimentation en huile (110 ; 110') des enceintes moteurs et une deuxième unité d'alimentation en huile (120 ; 120') du ou des démarreur-générateur (21, 22 ; 21', 22') comportant une au moins une pompe principale (130 ;131', 132') entraînée par couplage mécanique avec le moteur, caractérisé en ce que ladite deuxième unité d'alimentation (120 ; 120') comporte en outre au moins une pompe auxiliaire (140 ;141', 142') d'assistance au démarrage qui présente une puissance suffisante pour le fonctionnement du ou des démarreur-générateur (21, 22 ; 21', 22'), ladite pompe auxiliaire (140; 141', 142') d'assistance au démarrage étant placée en parallèle de ladite pompe principale (130 ;131', 132'). 2. Dispositif d'alimentation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pompe auxiliaire (140 ;141', 142') est électrique et alimentée par le réseau électrique du moteur ou de l'avion. 3. Dispositif d'alimentation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite pompe principale (130 ;131', 132') est apte à fournir un débit d'huile suffisant au fonctionnement du ou des démarreur-générateur (21, 22 ; 21', 22� à partir du régime de ralenti au sol. 4. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite deuxième unité d'alimentation en huile (120� du ou des démarreur-générateur (21', 22') est séparée de ladite première unité d'alimentation en huile (110'). 5. Dispositif d'alimentation selon la revendication 4, pour un moteur équipé d'un premier et d'un deuxième démarreurs-générateurs (21', 22'), caractérisé en ce que ladite deuxième unité d'alimentation en huile (120') comporte une première pompe principale (131') pour le premier démarreur-générateur (21') et une deuxième pompe principale (132') pour le deuxième démarreur-générateur (22'). 6. Dispositif d'alimentation selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite deuxième unité d'alimentation en huile (120')comporte une seule pompe auxiliaire montée en parallèle de la première pompe principale (131') et de la deuxième pompe principale (132'). 7. Dispositif d'alimentation selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite deuxième unité d'alimentation en huile (120') comporte une première et une deuxième pompes auxiliaires (141', 142'), ladite première pompe auxiliaire (141') étant montée en parallèle de la première pompe principale (131') et la deuxième pompe auxiliaire (142') étant montée en parallèle de la deuxième pompe principale (132'). 8. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite deuxième unité d'alimentation en huile (120) du ou des démarreur-générateur (21, 22) est reliée à ladite première unité d'alimentation en huile (110) dans un circuit d'huile commun (10). 9. Dispositif d'alimentation selon la revendication précédente, pour un moteur équipé de deux démarreurs-générateurs, caractérisé en ce que ladite deuxième unité d'alimentation alimentant en huile les deux démarreurs-générateurs (21, 22) comporte une seule pompe principale (130) et une seule pompe auxiliaire (140) d'assistance au démarrage. 10. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe auxiliaire (140;141', 142') est apte à être activée en cas de défaillance de la pompe principale (130 ;131', 132'), à titre d'assistance d'urgence. 11. Turbomoteur comportant un dispositif d'alimentation en huile selon l'une quelconque des revendications précédentes.