Brevet FR2961260A1 — publié le 20111216

La présente invention concerne le domaine des turbines à gaz et notamment celui des turbomoteurs pour des engins volants tels des hélicoptères. La présente invention concerne plus particulièrement un turbomoteur, notamment pour un hélicoptère, comportant un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz. Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine couplés en rotation. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'air frais entrant dans le turbomoteur est comprimé du fait de la rotation du compresseur avant d'être envoyé vers une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant. Les gaz brûlés du fait de la combustion sont ensuite évacués à grande vitesse. Il se produit alors une première détente dans la turbine du générateur de gaz, durant laquelle cette dernière extrait l'énergie nécessaire à l'entraînement du compresseur et des équipements indispensables au bon fonctionnement du générateur de gaz. Ces équipements sont généralement disposés sur une boite d'accessoires de la turbine à gaz, cette dernière comportant un ensemble de pignons. La turbine du générateur de gaz n'absorbe pas toute l'énergie cinétique des gaz brûlés et l'excédent d'énergie cinétique correspond au flux de gaz généré par le générateur de gaz. Ce dernier fournit donc de l'énergie cinétique à la turbine libre de sorte qu'il se produit une seconde détente dans la turbine libre qui transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique afin d'entraîner directement ou via un réducteur un organe récepteur, tel la BTP (Boite de Transmission Principale) de l'hélicoptère. Traditionnellement, le générateur de gaz, la turbine libre, la boite d'accessoires et dans certain cas le réducteur, font partis d'un même ensemble « turbomoteur » qui est destiné à être fixé au plancher de l'hélicoptère. La boîte de transmission principale de l'hélicoptère a pour vocation d'une part de transmettre les efforts de sustentation du rotor à l'ensemble de la structure de l'hélicoptère, de réduire la vitesse entre le turbomoteur et le rotor par le biais de pignons, et de supporter un certain nombre d'équipements. La boîte de transmission principale dispose de son propre système de lubrification qui comporte les mêmes composants du circuit d'huile que ceux du turbomoteur. Le réducteur, intégré au turbomoteur, qui comporte la partie réduction de puissance afin de réduire la vitesse entre la turbine libre et la boîte de transmission principale (BTP) de l'hélicoptère et l'ensemble des pignons de boite d'accessoires sont continuellement lubrifiés par le circuit d'huile. Un tel système de lubrification comporte généralement une pompe, un ensemble de filtration, des tuyauteries, un réservoir, des capteurs pour surveiller la pression et la température, un système de refroidissement, ainsi qu'un système de dégazage. On comprend donc qu'un tel système de lubrification est particulièrement contraignant. Il est notamment source de fuites qui sont susceptibles d'indisposer les opérateurs, et nécessite donc un contrôle du niveau d'huile par le pilote. En outre, le moteur est certifié pour pouvoir supporter pendant un temps donné une interruption de lubrification. Enfin, on ajoute que ce système de lubrification est lourd, couteux, et le plus souvent polluant. Un objectif de la présente invention est de proposer une architecture de turbomachine pour un hélicoptère permettant de diminuer la taille du système de lubrification. L'invention porte donc tout d'abord sur une turbomachine d'hélicoptère, l'hélicoptère comportant une boîte de transmission principale, un rotor et un dispositif de réduction de vitesse entièrement logé dans la boîte de transmission principale de l'hélicoptère tout en étant relié audit rotor, la turbomachine comprenant un carter, un générateur de gaz ayant un arbre de générateur de gaz, une turbine libre destinée à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz, ladite turbine libre comportant un arbre de turbine libre, turbomachine dans laquelle, lorsque la turbomachine est fixée à la boîte de transmission principale de l'hélicoptère, l'arbre de turbine libre s'étend axialement à l'intérieur de la boîte de transmission principale de l'hélicoptère pour être directement relié au dispositif de réduction de vitesse de l'hélicoptère. On comprend donc que la turbomachine selon l'invention est dépourvue de réducteur, et de préférence de la boite d'accessoires, contrairement à l'art antérieur décrit ci-dessus. En effet, la réduction de vitesse de la turbine libre se fait uniquement grâce au dispositif de réduction de vitesse qui est logé dans la boîte de transmission principale (BTP) de l'hélicoptère. Par conséquent, on comprend que la lubrification des engrenages du réducteur est réalisée dans la BTP par son propre circuit d'huile et non plus dans la turbomachine comme cela était réalisé auparavant. Grâce à l'invention, la lubrification dans le moteur est donc sensiblement réduite. Dans l'art antérieur, l'arbre de turbine libre et l'arbre du générateur de gaz sont guidés en rotation par des paliers à roulements. Ces paliers permettent également les reprises d'efforts radiaux et/ou axiaux subis par ces arbres. Dans l'art antérieur, ces paliers sont également lubrifiés grâce au système de lubrification. Avantageusement, la turbomachine selon l'invention comporte au moins un palier non lubrifié disposé radialement entre le carter de la turbomachine et l'arbre de la turbine libre. On pourra par exemple choisir un palier à air. Par suite, le guidage en rotation de l'arbre de la turbine libre ne nécessite plus de lubrification par huile. De manière avantageuse, au moins un palier non lubrifié est disposé entre l'arbre du générateur de gaz et le carter de la turbomachine. On pourra par exemple choisir un palier à air. Par suite, le guidage en rotation de l'arbre du générateur de gaz ne nécessite plus de lubrification par huile. Dans l'art antérieur, une boite d'accessoires composée d'un ensemble de pignons fait partie du réducteur de la turbomachine. Cette boite d'accessoires permet l'entrainement des servitudes nécessaires au bon fonctionnement du générateur de gaz et éventuellement d'équipements spécifiques pour l'hélicoptère, comme par exemple des groupes de climatisation, ou tout autre accessoire. Là-encore, les pignons de la boite à accessoires de l'art antérieur sont lubrifiés grâce au système de lubrification. Selon l'invention, la boite d'accessoires peut être avantageusement intégrée à la BTP et reliée mécaniquement au générateur de gaz. Selon une variante, l'ensemble des pignons peut être avantageusement remplacé par des moteurs électriques associés à chaque équipement, lesdits moteurs étant avantageusement reliés à une génératrice, elle même connectée directement à l'arbre du générateur de gaz. On pourra choisir une génératrice haute vitesse, de type « brushless ». Une telle génératrice permet de générer de l'énergie électrique afin d'alimenter les moteurs électriques des différents équipements. En outre, elle ne nécessite pas de lubrification par huile. Dans la turbomachine de l'art antérieur, les efforts axiaux subis par l'arbre de la turbine libre et l'arbre du générateur de gaz sont également repris par des paliers lubrifiés à l'huile. Selon l'invention, la reprise des efforts axiaux subis par l'arbre du générateur de gaz est réalisée par un dispositif de butée axiale non lubrifié disposé axialement entre l'arbre du générateur de gaz et le carter. Ce dispositif de butée peut être un palier à air axial ou bien un palier magnétique axial, connus par ailleurs. Selon une variante, la reprise des efforts axiaux subis par l'arbre du générateur de gaz est réalisée par un dispositif de reprise des efforts axiaux de l'arbre du générateur de gaz, ce dispositif étant disposé entre la boîte de transmission principale et l'arbre du générateur de gaz ou radialement entre l'arbre de la turbine libre et l'arbre du générateur de gaz. Ce dispositif de reprise des efforts axiaux est de préférence un dispositif de butée axiale lubrifié, tel un roulement lubrifié, qui reste intégré dans la boîte de transmission principale de l'hélicoptère. Dans ce cas, on prévoit en outre un joint d'étanchéité disposé radialement entre l'arbre de la turbine libre et l'arbre du générateur de gaz, grâce à quoi l'huile de lubrification ne pénètre pas dans la turbomachine. On précise également que les efforts axiaux subis par l'arbre de turbine libre sont avantageusement repris par la boîte de transmission principale de l'hélicoptère par le fait que la turbine libre selon l'invention est destinée à être fixé solidairement au dispositif de réduction. On comprend donc que la présente invention permet de réaliser une architecture de turbomoteur sans huile, c'est-à-dire totalement dépourvue de système de lubrification d'huile, afin de remédier aux inconvénients précités. La présente invention porte également sur un hélicoptère comportant : - une boîte de transmission principale, un rotor, un dispositif de réduction de vitesse entièrement logé dans la boîte de transmission principale tout en étant relié audit rotor, une turbomachine selon l'invention, le carter de la turbomachine étant fixé à la boîte de transmission principale de l'hélicoptère tandis que l'arbre de la turbine libre s'étend axialement à l'intérieur de la boîte de transmission principale en étant relié directement au dispositif de réduction. De manière avantageuse, la turbomachine comporte en outre un dispositif de reprise des efforts axiaux de l'arbre de la turbine libre, logé dans la boîte de transmission principale de l'hélicoptère, tout en étant fixé à l'arbre de la turbine libre. De préférence, le dispositif de reprise des efforts axiaux de l'arbre de la turbine libre comporte un roulement monté entre le dispositif de réduction de vitesse et la boîte de transmission principale, le roulement coopérant avec une butée axiale de la boîte de transmission principale. En outre, l'arbre de la turbine libre est fixé rigidement au dispositif de réduction. La butée est positionnée de manière à retenir axialement l'arbre de la turbine libre notamment dans le cas où les efforts subis par l'arbre de la turbine libre tendent à la tirer axialement vers la tuyère de la turbomachine. Pour assurer l'étanchéité entre la boîte de transmission principale de l'hélicoptère et le carter de la turbomachine, il est prévu un ou plusieurs organes d'étanchéité qui peuvent être disposés radialement entre l'arbre de la turbine libre et/ou l'arbre du générateur de gaz, le carter de la boîte de transmission principale et/ou le carter de la turbomachine, ceci afin d'éviter que l'huile de lubrification ne s'échappe de la boîte de transmission principale. Enfin, la turbomachine comporte de préférence une génératrice reliée directement à l'arbre du générateur de gaz, et l'hélicoptère comporte en outre des appareils électriques alimentés en énergie électrique par ladite génératrice. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, de deux modes de réalisation indiqués à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un turbomoteur de l'art antérieur ; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une turbomachine selon l'invention fixée à la boîte de transmission principale d'un hélicoptère; la figure 3 est une vue de détail de la liaison de l'extrémité de l'arbre de turbine libre de la turbomachine de la figure 2 à un réducteur de vitesse disposé dans la boîte de transmission principale de l'hélicoptère ; et la figure 4 est une vue de détail d'une variante de la turbomachine de la figure 2 dans laquelle la reprise de l'effort axial de l'arbre du générateur de gaz de la turbomachine est réalisée par l'arbre de la turbine libre. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un turbomoteur 10 d'hélicoptère de l'art antérieur. Ce turbomoteur 10 comporte un carter 12 dans lequel est logé un générateur de gaz 14. Ce dernier comprend un arbre de générateur de gaz 15 portant une roue de compresseur centrifuge 16 ainsi qu'une turbine haute pression 18. L'air frais pénètre dans le turbomoteur via une entrée d'air 20. Il est ensuite comprimé par le compresseur 16 avant d'être envoyé dans une chambre de combustion 22 où il est mélangé avec du carburant. La combustion du mélange air comprimé/carburant génère un flux de gaz F qui provoque la rotation de la turbine haute pression 18 qui elle-même entraine le compresseur 16. Le générateur de gaz est porté par des paliers P1 et P2 qui permettent un guidage en rotation ainsi qu'une reprise des efforts subis par le générateur de gaz 15. Ces paliers sont lubrifiés par huile grâce à un système de lubrification non représenté ici. Par ailleurs, le turbomoteur comporte également une turbine libre 24 qui comporte une roue de turbine basse pression 26 fixée à un arbre de turbine libre 28. Comme on le voit sur la figure 1, la roue de turbine basse pression 26 est disposée en aval de la roue de turbine haute pression 18. Par conséquent, le flux de gaz brûlés sortant du générateur de gaz 14 entraine en rotation l'arbre de turbine libre 28. L'extrémité de l'arbre de turbine libre 28 est pourvue d'un pignon 30 qui engrène avec des roues dentées 32. Ces engrenages, logés dans le réducteur de la turbomachine, permettent de réduire la vitesse de rotation de l'arbre de la turbine libre. La sortie S de ce réducteur est destinée à être reliée à la BTP de l'hélicoptère (non représenté ici). Comme on le voit sur cette figure, les engrenages 30 ou 32 sont portés par des roulements P3 à P9 qui sont également lubrifiés par le système de lubrification. Une boite d'accessoires de type boite à pignons, référencée 40, est également logée dans le réducteur de la turbomachine 10. Elle comporte des engrenages permettant d'entraîner en rotation les équipements indispensables au bon fonctionnement du turbomoteur et accessoirement, des servitudes nécessaires pour l'hélicoptère. Cette boite d'accessoires est également lubrifiée par huile grâce au système de lubrification. Comme on l'a déjà expliqué ci-dessus, le turbomoteur de l'art antérieur ne peut fonctionner sans système de lubrification. Ceci étant exposé, on va maintenant décrire à l'aide des figures 2 à 4, une architecture de turbomachine 100 selon l'invention qui est dépourvue de lubrification par huile. Selon l'invention, la turbomachine 100, en l'espèce un turbomoteur 100 d'hélicoptère, comporte un carter 102 dans lequel est logé un générateur de gaz 114 comportant un arbre de générateur de gaz 115 qui porte un compresseur centrifuge 116 et une roue de turbine haute pression 118. Le turbomoteur 100 comporte également une chambre de combustion 120. Le générateur de gaz 115 est guidé en rotation grâce à deux paliers non lubrifiés, en l'espèce des paliers à air 150 qui sont disposés radialement entre l'arbre du générateur de gaz et le carter 102 du turbomoteur. Ces paliers permettent également la reprise des efforts radiaux subis par le générateur de gaz 115. Dans l'exemple de la figure 2, la reprise des efforts axiaux FGG subis par le générateur de gaz 115 est réalisée grâce à un dispositif de butée axiale non lubrifiée 152 qui est disposé axialement entre un épaulement 115a de l'arbre du générateur de gaz 115 et une partie 1O2a du carter 102. Ce dispositif de butée axiale 152 est en l'espèce une butée axiale à air ou bien magnétique. Le sens des efforts axiaux FGG est opposé à celui de l'introduction de l'air frais dans le turbomoteur. Par ailleurs, une génératrice électrique haute vitesse 154 est reliée directement au générateur de gaz 115. Cette génératrice électrique est de type brushless. Elle permet de générer de l'énergie électrique afin d'alimenter des appareils électriques disposés dans l'hélicoptère. Le turbomoteur 100 comporte en outre une turbine libre 124 qui comporte une roue de turbine basse pression 126 fixée à un arbre de turbine libre 128. La reprise des efforts radiaux et le guidage en rotation de l'arbre de la turbine libre 128 sont réalisés grâce à au moins un palier non lubrifié 156 qui est disposé radialement dans le carter de la turbomachine entre le carter 102 et l'arbre de turbine libre 128. De préférence, ce palier 156 est disposé à proximité de la roue de turbine libre 126. En l'espèce, il s'agit d'un palier à air. Comme on le comprend à l'aide de la figure 2, le turbomoteur 100 est destiné à être fixé à la boîte de transmission principale 202 de l'hélicoptère 200 de sorte que l'arbre de turbine libre 128 s'étend à l'intérieur de la boîte de transmission principale 202, comme cela est mieux visible sur la figure 3. L'hélicoptère 200, qui est également objet de la présente invention, comporte un rotor 204 relié à des pales (non représentées ici), ainsi qu'un dispositif de réduction de vitesse 206 qui est entièrement logé à l'intérieur de la boîte de transmission principale 202. Le turbomoteur 100 ne comporte pas de réducteur de vitesse de la turbine libre 128, contrairement à l'art antérieur. Ce dispositif de réduction de vitesse 206 est relié d'une part au rotor 202 par le biais d'engrenages 208, 210 et d'autre part directement à l'arbre de la turbine libre 128 par le biais d'un manchon de couplage 212 fixé au pignon de puissance 208. La reprise des efforts axiaux FTL subis par l'arbre de turbine libre 128 est avantageusement réalisée grâce à un dispositif de reprise des efforts axiaux constitué en l'espèce d'un roulement 214 monté sur le manchon 212 et coopérant avec une butée axiale 216 de la boîte de transmission principale 202. Cette butée reprend les efforts axiaux qui tendent à faire sortir l'arbre de turbine libre 128 hors du carter du turbomoteur. Ce roulement 214 permet également de reprendre une partie des efforts radiaux subis par l'arbre de turbine libre et par le pignon de puissance 208. Ce roulement 214 est lubrifié par des moyens de lubrification de l'hélicoptère. Pour éviter les fuites d'huile vers l'extérieur et notamment vers l'intérieur du boitier du turbomoteur, un joint d'étanchéité 218 est disposé radialement entre l'arbre de turbine libre 128 et la boîte de transmission principale 202. Un autre joint peut également être disposé entre l'arbre de turbine libre 128 et le carter du turbomoteur. A l'aide de la figure 4, on va décrire une variante du turbomoteur de la figure 2 et plus précisément une variante du dispositif de reprise des efforts axiaux de l'arbre du générateur de gaz 115. Dans cette variante, un roulement 170 est monté radialement entre une extrémité de l'arbre de générateur de gaz 115 et l'arbre de turbine libre 128. Grâce à cette configuration, les efforts axiaux subis par l'arbre du générateur de gaz 128 sont repris par l'arbre de turbine libre 128. Ce roulement 170 étant lubrifié, un joint d'étanchéité 172 est prévu entre l'arbre du générateur de gaz 115 et l'arbre de turbine libre 128 afin d'éviter les fuites d'huile. Cette variante permet de s'affranchir du dispositif de butée axiale non lubrifié 152 afin de réduire le coût du turbomoteur. A la lumière de ce qui précède, on conçoit que l'architecture de 15 turbomoteur exposée ici permet de se passer de système de lubrification par huile. REVENDICATIONS1. Turbomachine (100) pour un hélicoptère (200), ledit hélicoptère comportant une boîte de transmission principale, un rotor (204) et un dispositif de réduction de vitesse (206) entièrement logé dans la boîte de transmission principale (202) de l'hélicoptère tout en étant relié audit rotor, la turbomachine comprenant un carter (102), un générateur de gaz (114) ayant un arbre de générateur de gaz (115), une turbine libre (124) destinée à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz, ladite turbine libre comportant un arbre de turbine libre (128), turbomachine dans laquelle, lorsque la turbomachine est fixée à la boîte de transmission principale (BTP) de l'hélicoptère, l'arbre de turbine libre s'étend axialement à l'intérieur de la boîte de transmission principale de l'hélicoptère pour être directement reliée au dispositif de réduction. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un palier non lubrifié (156) disposé radialement entre le carter (102) et l'arbre de turbine libre (128). 3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un palier non lubrifié (150) disposé radialement entre l'arbre du générateur de gaz (115) et le carter de la turbomachine (102). 4. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une génératrice (154) reliée directement à l'arbre du générateur de gaz. 5. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif de butée axiale non lubrifié (152) disposé axialement entre l'arbre du générateur de gaz et le carter de la turbomachine. 6. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif de reprise des efforts axiaux de l'arbre du générateur de gaz (170), ce dispositif étant disposé radialement entre l'arbre de turbine libre (128) et l'arbre du générateur de gaz (115). 7. Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un joint d'étanchéité (172) disposé radialement entre l'arbre de turbine libre (128) et l'arbre du générateur de gaz (115). 8. Hélicoptère (200) comportant : une boîte de transmission principale (202), - un rotor (204), un dispositif de réduction de vitesse (206) entièrement logé dans la boîte de transmission principale tout en étant relié audit rotor, - une turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, le carter de la turbomachine étant fixé à la boîte de transmission principale de l'hélicoptère tandis que l'arbre de la turbine libre s'étend axialement à l'intérieur de la boîte de transmission principale en étant relié directement au dispositif de réduction. 9. Hélicoptère selon la revendication 8, caractérisé en qu'il comporte en outre un dispositif de reprise des efforts axiaux de l'arbre de la turbine libre (214, 216), logé dans la boîte de transmission principale de l'hélicoptère tout en étant fixé à l'arbre de la turbine libre. 10. Hélicoptère selon la revendication 9, caractérisé en que le dispositif de reprise des efforts axiaux de l'arbre de la turbine libre comporte un roulement (214) monté sur le dispositif de réduction de vitesse et coopérant avec une butée axiale (216) du carter. 11. Hélicoptère selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en qu'il comporte en outre un organe d'étanchéité (218) disposée entre la boîte de transmission principale de l'hélicoptère et le carter de la turbomachine. 12. Hélicoptère selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la turbomachine comporte une génératrice (154) reliée directement à l'arbre du générateur de gaz, et en ce que l'hélicoptère comporte en outre des appareils électriques (220) alimentés en énergie électrique par ladite génératrice.