Brevet FR2974143A1 — publié le 20121019

DISPOSITIF DE LUBRIFICATION D'UN PALIER D'UNE TURBOMACHINE La présente invention concerne un dispositif de distribution d'huile de lubrification et de refroidissement dans une turbomachine, telle qu'un turboréacteur d'aéronef, ce dispositif étant destiné en particulier à la lubrification et au refroidissement d'un organe tel qu'un palier de guidage d'un arbre de rotor. Les paliers de guidage utilisés dans une turbomachine comprennent une bague interne et une bague externe enserrant des organes roulants, la bague externe étant montée le plus souvent sur une partie fixe de la turbomachine et la bague interne étant montée sur un élément tournant tel qu'un arbre de rotor par exemple. La distribution d'huile pour ce type de palier est en général réalisée au moyen d'un gicleur conventionnel monté sur une partie fixe de la turbomachine, de façon à ce qu'un jet d'huile alimente sans interruption le palier pour le lubrifier et le refroidir. Dans certaines configurations, le palier est monté entre deux arbres rotatifs et l'amenée d'huile au palier est plus difficile à réaliser. Ce type de palier est couramment désigné palier « interarbre ». A cet effet, on connaît par la demande de brevet FR 2 939 843 Al de la société SNECMA un dispositif de distribution d'huile pour un palier monté entre un arbre interne et un arbre externe, le dispositif comprenant des moyens d'amenée d'huile depuis l'extérieur de l'arbre externe pour lubrifier le palier interarbre. II est encore connu d'acheminer l'huile sous pression jusqu'au palier interarbre grâce à des moyens d'amenée d'huile situés à l'intérieur de l'arbre interne comme représenté sur les figures 1 et 2. Comme représenté sur la figure 1, le turboréacteur comporte plusieurs arbres rotatifs dont un arbre haute pression 2 monté rotatif par rapport à un arbre basse pression 1 via un palier interarbre 3. L'arbre basse pression 1 est monté de manière interne dans l'arbre haute pression 2, l'arbre basse pression 1 comportant une extrémité aval qui comprend une goulotte de guidage venant envelopper l'extrémité aval de l'arbre haute pression 2 de manière à ce que le palier soit placé dans la goulotte entre la surface externe de l'arbre haute pression 2 et la surface interne de l'arbre basse pression 1. Autrement dit, la bague externe du palier interarbre 3 est solidaire d'une partie de l'arbre basse pression 1 tandis que la bague interne du palier interarbre 3 est solidaire d'une partie de l'arbre haute pression 2 (Figure 1). Pour lubrifier le palier 3 monté intérieurement à l'arbre haute pression 2, de l'huile de lubrification est classiquement acheminée intérieurement à l'arbre basse pression 1 depuis l'aval comme représenté par une flèche H sur la figure 1. Pour atteindre le palier interarbre 3 depuis l'intérieur de l'arbre basse pression 1, le flux d'huile H doit traverser successivement la paroi de l'arbre basse pression 1 puis la paroi de l'arbre haute pression 2 (Figures 1 et 2). A cet effet, l'arbre basse pression 1 comporte de manière classique des premiers orifices radiaux de lubrification 4 et l'arbre haute pression 2 comporte de manière classique des deuxièmes orifices radiaux de lubrification 5 comme représenté sur la figure 2. L'espace interarbre E, appelé également entrefer E, se présente sous la forme d'une cavité annulaire dans laquelle le flux d'huile H, provenant des premiers orifices radiaux 4, est cisaillé par un flux d'air de pressurisation G circulant de l'amont vers l'aval comme représenté sur la figure 1 pour ensuite traverser les deuxièmes orifices 5 et ainsi arriver au palier 3 pour le lubrifier. Lorsque l'arbre haute pression 2 et l'arbre basse pression 1 sont contrarotatifs, la circulation du flux d'huile H n'est pas optimale, le flux d'huile H entrant en contact avec l'arbre haute pression 2 lors de son éjection depuis les premiers orifices 4, ce qui engendre des éclaboussures d'huile qui demeurent dans l'espace interarbre E. Les éclaboussures sont alors entraînées par le flux d'air de pressurisation G vers l'aval au lieu de pénétrer dans les deuxièmes orifices radiaux 5 de l'arbre haute pression 2. II en résulte que la quantité d'huile de lubrification qui alimente le palier 3 n'est pas suffisante pour assurer son refroidissement. Afin d'éliminer cet inconvénient, l'invention vise une turbomachine dont l'alimentation en huile des paliers est optimale et qui n'engendre pas de pollution de la turbomachine. L'invention concerne une turbomachine comportant au moins un premier et un deuxième arbres 25 montés coaxiaux l'un par rapport à l'autre et s'étendant selon l'axe de la turbomachine, les arbres étant montés rotatifs l'un par rapport à l'autre et séparés par un espace de lubrification, le premier arbre étant monté dans le deuxième arbre, la turbomachine comportant au moins un palier de guidage desdits arbres monté extérieurement au deuxième arbre et des moyens d'amenée d'un flux d'huile de lubrification disposés intérieurement au premier arbre, le premier arbre comportant 30 des premiers orifices de distribution agencés pour distribuer l'huile de lubrification depuis les moyens d'amenée vers l'espace de lubrification, le deuxième arbre comportant des deuxièmes orifices de distribution agencés pour distribuer l'huile de lubrification depuis l'espace de lubrification vers le palier de guidage pour le lubrifier, turbomachine caractérisée par le fait que les deuxièmes orifices de distribution s'étendent de manière oblique par rapport à une direction radiale définie par 35 rapport à l'axe de la turbomachine. L'orientation des deuxièmes orifices permet avantageusement de récupérer le flux d'huile de lubrification selon sa direction de distribution dans l'espace de lubrification. La collection d'huile de lubrification est alors optimale et le risque d'éclaboussures est limité. 40 De préférence, les premiers orifices s'étendent selon la direction radiale définie par rapport à l'axe de la turbomachine. La direction de distribution du flux d'huile dans l'espace de lubrification comporte ainsi une composante tangentielle liée à la rotation du premier arbre, des deuxièmes orifices obliques permettant de collecter le flux d'huile au cours de la rotation en tenant compte de la composante tangentielle de la direction de distribution. De manière préférée, les premiers et/ou deuxièmes orifices s'étendent de manière rectiligne. Ainsi, de tels orifices sont simples à usiner dans le corps d'un arbre. De préférence, les deuxièmes orifices s'étendent dans un plan transversal à l'axe de la turbomachine. Selon un aspect de l'invention, les premier et deuxième arbres sont contrarotatifs, la différence relative de vitesses entre les deux arbres étant élevée. Cela permet avantageusement au deuxième arbre d'améliorer le rendement de collection, le mouvement du deuxième arbre venant en opposition avec la direction de distribution ce qui améliore l'introduction du flux d'huile dans les deuxièmes orifices. De préférence encore, la direction des deuxièmes orifices de distribution formant un angle de collection a par rapport à la direction radiale, l'angle de collection a est supérieur à 75°. Un tel angle permet avantageusement d'optimiser la collection du flux d'huile. Selon un aspect de l'invention, la direction des deuxièmes orifices de distribution formant un angle de collection a par rapport à la direction radiale, le premier arbre moteur étant adapté pour tourner à une vitesse de référence prédéterminée en régime courant, l'huile de lubrification étant distribuée par les premiers orifices de distribution selon une direction de distribution de référence qui est fonction de la vitesse de référence prédéterminée, la direction de distribution de référence forme un angle de distribution par rapport à la direction radiale définie par rapport à l'axe de la turbomachine, l'angle de collection a des deuxièmes orifices de distribution est sensiblement égal à l'angle de distribution P. De manière avantageuse, l'angle de collection est défini pour une vitesse de référence prédéterminée ce qui permet d'optimiser la collection d'huile pour une vitesse de référence prédéterminée de la turbomachine afin que la direction de collection soit alignée avec la direction de distribution. Cela permet une circulation limitant de manière importante les éclaboussures. Selon un premier aspect, l'angle de distribution est défini pour une vitesse de rotation maximale prédéterminée du premier arbre moteur. Ainsi, l'angle de distribution est important ce qui permet une collection suffisante d'huile de lubrification à toute vitesse de rotation de la turbomachine. Selon un deuxième aspect, l'angle de distribution est défini pour une vitesse de rotation moyenne prédéterminée du premier arbre moteur, de préférence, la vitesse de croisière du premier arbre moteur. Ainsi, la direction de collection est alignée avec la direction de distribution pour une majorité du temps de fonctionnement de la turbomachine ce qui garantit une collection optimale pendant cette période de temps. De préférence, le premier arbre moteur est un arbre de turbine basse pression d'une turbomachine et le deuxième arbre moteur est un arbre de turbine haute pression d'une turbomachine. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un turboréacteur d'aéronef selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale des arbres basse pression et haute pression du turboréacteur de la figure 1 selon le plan de coupe A-A représenté sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un turboréacteur d'aéronef selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en coupe transversale partielle de l'arbre basse pression du turboréacteur de la figure 3 selon le plan de coupe B-B représenté sur la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale partielle des arbres basse pression et haute pression du turboréacteur de la figure 3 selon le plan de coupe B-B représenté sur la figure 3, la circulation du flux d'huile de lubrification entre les arbres étant représentée ; et - les figures 6A et 6B représentent respectivement la position relative des arbres basse pression et haute pression du turboréacteur de la figure 5 à deux instants différents. L'invention va être présentée pour la suite pour un turboréacteur mais elle s'applique à toute turbomachine comportant deux arbres coaxiaux aussi bien pour la propulsion d'un aéronef que pour la production d'électricité. En référence à la figure 3, de manière similaire à un turboréacteur selon l'art antérieur tel que présenté sur la figure 1, un turboréacteur selon l'invention comporte un premier arbre basse pression 10 et un deuxième arbre haute pression 20 qui sont coaxiaux l'un par rapport à l'autre et s'étendent selon l'axe X de la turbomachine. Les arbres basse pression 10 et haute pression 20 sont montés rotatifs l'un par rapport à l'autre et sont séparés par un espace de lubrification E, connu de l'homme du métier sous la dénomination « entrefer », l'arbre basse pression 10 étant monté dans l'arbre haute pression 20 comme représenté sur la figure 5. Dans cet exemple, les arbres basse pression 10 et haute pression 20 sont contrarotatifs, l'arbre basse pression 10 tournant dans le sens horaire et l'arbre haute pression 20 tournant dans le sens antihoraire. La turbomachine comporte en outre un palier de guidage 30 desdits arbres basse pression 10 et haute pression 20 monté extérieurement à l'arbre haute pression 20 comme représenté sur la figure 3. A cet effet, l'extrémité aval de l'arbre basse pression 10 comporte une goulotte annulaire venant envelopper l'extrémité aval de l'arbre haute pression 20 de manière à ce que le palier de guidage 30 soit placé intérieurement à l'arbre basse pression 10 et extérieurement à l'arbre haute pression 20 comme représenté sur la figure 3. Autrement dit, la bague externe du palier interarbre 30 est solidaire d'une partie de l'arbre basse pression 10 tandis que la bague interne du palier interarbre 30 est solidaire d'une partie de l'arbre haute pression 20 (Figure 3). De manière similaire au turboréacteur de la figure 1, le turboréacteur selon l'invention comporte des moyens 50 d'amenée d'un flux d'huile de lubrification F pour lubrifier le palier de guidage 30 comme représenté sur la figure 3. Dans cet exemple, les moyens d'amenée 50 se présentent sous la forme de gicleurs mais il va de soi qu'ils pourraient se présenter sous des formes diverses. 10 Les moyens 50 d'amenée du flux d'huile de lubrification F sont disposés intérieurement à l'arbre basse pression 10 (Figure 3). Ainsi, pour lubrifier le palier de guidage 30, le flux d'huile de lubrification F doit traverser successivement l'arbre basse pression 10, l'espace de lubrification E et l'arbre haute pression 20. A cet effet, comme représenté sur les figures 3 et 5, l'arbre basse 15 pression 10 comporte des premiers orifices de distribution 11, s'étendant rectilignement, agencés pour distribuer le flux d'huile de lubrification F depuis les moyens d'amenée 50 vers l'espace de lubrification E. Dans cet exemple, en référence à la figure 5, les premiers orifices 11 de l'arbre basse pression 10 s'étendent selon la direction radiale R définie par rapport à l'axe X du turboréacteur. 20 Lors de la rotation de l'arbre basse pression 10 dans le sens horaire comme représenté sur la figure 4, le flux d'huile de lubrification F est distribué par les premiers orifices de distribution 11 de l'arbre basse pression 10 selon un vecteur de distribution D comportant une composante tangentielle Dt et une composante radiale Dr (Figure 4). La composante radiale Dr est fonction, 25 d'une part, du débit des moyens d'amenée 50 et, d'autre part, de la section des premiers orifices de distribution radiaux 11. La composante tangentielle Dt dépend principalement de la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 10 et de son diamètre. Ainsi, plus la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 10 est élevée, plus la composante tangentielle Dt est importante. Par la suite, l'angle formé entre le vecteur de distribution D et la direction radiale R est désigné angle de 30 distribution comme représenté sur la figure 4. Le vecteur de distribution D est représenté dans le repère orthogonal (R, T) dans lequel la direction R correspond à la direction radiale et la direction T correspond à la direction tangentielle. L'arbre haute pression 20 comporte, pour sa part, des deuxièmes orifices de distribution 21, 35 s'étendant rectilignement, agencés pour distribuer le flux d'huile de lubrification F depuis l'espace de lubrification E vers le palier de guidage 30 afin de le lubrifier. Le turboréacteur selon l'invention est caractérisé en ce que les deuxièmes orifices de distribution 21 de l'arbre haute pression 20 s'étendent de manière oblique par rapport à la direction radiale R définie par rapport à l'axe X du turboréacteur comme représenté sur la figure 5. Par la suite, on désigne par direction de collection 40 C la direction selon laquelle s'étend un deuxième orifice de distribution 21 par rapport à la direction5 radiale R passant par ledit deuxième orifice 21 de l'arbre haute pression 2 comme représenté sur la figure 5. Par la suite, l'angle formé entre la direction de collection C et la direction radiale R est désigné angle de collection a comme représenté sur la figure 5. La direction de collection C est représentée dans le repère orthogonal (R, T) dans lequel la direction R correspond à la direction radiale et la direction T correspond à la direction tangentielle. De manière préférée, la limite inférieure de l'angle de collection a est déterminée par la direction d'éjection à la vitesse de référence de l'arbre basse pression comme cela sera détaillé par la suite, la limite supérieure de l'angle de collection a étant déterminée par rapport à la limite de faisabilité d'un perçage oblique et/ou de la limite de la tenue mécanique de l'arbre haute pression qui pourrait être affectée par des coefficients de contrainte plus élevés. De préférence, l'angle de collection a des deuxièmes orifices 21 de l'arbre haute pression 20 est supérieur à 75°, de préférence de l'ordre de 80-87°. Les arbres basse pression 10 et haute pression 20 sont ici contrarotatifs de manière à ce que le flux d'huile de lubrification F de direction de distribution oblique D soit collecté au cours de la rotation de l'arbre haute pression 20 par les deuxièmes orifices de distribution 21. Les deuxièmes orifices 21 et la direction de distribution D sont sensiblement alignés ce qui permet avantageusement d'éviter les éclaboussures du flux d'huile de lubrification F lors de la circulation d'huile entre les premiers orifices 11 de l'arbre basse pression 10 et les deuxièmes orifices 21 de l'arbre haute pression 20. La lubrification du palier de guidage 30 est alors améliorée ce qui diminue les risques d'endommagement du palier 30. Le rendement de collection d'huile par les deuxièmes orifices 21 de l'arbre haute pression 20 est amélioré. Cela est particulièrement avantageux lorsque les arbres basse pression 10 et haute pression 20 sont contrarotatifs, le mouvement de rotation de l'arbre haute pression 20 venant collecter de manière efficace le flux d'huile F dans l'espace de lubrification E du fait de la différence relative de vitesses entre les deux arbres 10, 20. En effet, le mouvement de l'arbre haute pression 20 facilite l'introduction du flux d'huile F dans les deuxièmes orifices 21 du fait que la direction de distribution D est opposée au sens de rotation de l'arbre haute pression 20. Pour permettre une collection optimale, les deuxièmes orifices de distribution 21 s'étendent dans la même direction que la direction de distribution D du flux d'huile F comme représenté sur la figure 4. Autrement dit, la direction de collection C est sensiblement parallèle à la direction de distribution D ce qui permet avantageusement de collecter une grande quantité d'huile de lubrification au cours de la rotation des arbres 10, 20. Selon un premier aspect de l'invention, la direction de collection C des deuxièmes orifices de distribution 21 est définie pour une direction de distribution D correspondant à une vitesse de rotation de référence de l'arbre basse pression 10. De manière préférée, la vitesse de rotation de référence correspond à la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 10 lorsque le turboréacteur est en régime de croisière. Au cours d'un vol d'un aéronef, le turboréacteur est la plupart du temps en régime de croisière ce qui garantit un alignement optimal entre la direction de distribution D du flux d'huile F issu des premiers orifices de distribution 11 et la direction de collection C des deuxièmes orifices de distribution 21. De manière avantageuse, des faibles variations de la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 10 autour de sa vitesse de croisière ne modifient que faiblement le rendement de collection d'huile des deuxièmes orifices de distributions 21 de l'arbre haute pression 20. Selon un deuxième aspect de l'invention, la direction de collection C des deuxièmes orifices de distribution 21 est définie pour une direction de distribution D correspondant à une vitesse de rotation maximale de l'arbre basse pression 10 lorsque le turboréacteur est à plein régime, par exemple, lors du décollage. La direction de collection C des deuxièmes orifices de distribution 21 possède alors une forte composante tangentielle. Grâce à cette forte inclinaison des deuxièmes orifices de distribution 21, la collection de l'huile de lubrification est satisfaisante à toute vitesse de rotation de l'arbre basse pression 10. En référence aux figure 6A et 6B, l'arbre haute pression 20 comporte un deuxième orifice de distribution 21 dont la direction de collection C est définie pour une vitesse de rotation maximale de l'arbre basse pression 10 pour un angle de collection al. La figure 6A représente la circulation de l'huile de lubrification à un premier instant t1 lorsque le premier arbre basse pression 10 est entraîné à une vitesse de rotation maximale correspondant au plein régime du turboréacteur. A cet effet, le flux d'huile de lubrification F est distribué dans l'espace de lubrification E selon une première direction de distribution Dl qui est parallèle à la direction de collection C comme représenté sur la figure 6A. A cette vitesse, l'angle de distribution j31 est maximal et est sensiblement égal à l'angle de collection al. La figure 6B représente, pour sa part, la circulation de l'huile de lubrification à un deuxième instant t2 lorsque le premier arbre basse pression 10 est entraîné à une vitesse de rotation correspondant au régime de croisière du turboréacteur. Comme la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 10 a baissé entre les instants t1 et t2, la direction de distribution D est modifiée. A cet effet, le flux d'huile de lubrification F est distribué dans l'espace de lubrification E selon une deuxième direction de distribution D2 dont la composante tangentielle est plus faible par comparaison à la première direction distribution Dl de la figure 6A. A cette vitesse, l'angle de distribution [32 est plus faible et est inférieur à l'angle de collection al. Du fait de la forte inclinaison de la direction de collection C, le flux d'huile de lubrification F est transmis selon la deuxième direction de distribution D2 et est collecté de manière efficace par les deuxièmes orifices de distribution 21, le rendement de collection n'étant que très faiblement dégradé. Comme l'arbre haute pression 20 est entraîné à une vitesse supérieure à celle de l'arbre basse pression 10, le flux d'huile de lubrification F circule de manière fluide depuis les moyens d'amenée 50 vers le palier de guidage 30 sans provoquer d'éclaboussures. II a été précédemment présenté des premier et deuxième orifices de distribution de section constante mais il va de soi que la section des orifices pourrait varier. De préférence, la section des deuxièmes orifices est décroissante de l'intérieur vers l'extérieur d'un arbre de manière à permettre de collecter une quantité importante d'huile de lubrification. REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant au moins un premier et un deuxième arbres (10, 20) montés coaxiaux l'un par rapport à l'autre et s'étendant selon l'axe (X) de la turbomachine, les arbres (10, 20) étant montés rotatifs l'un par rapport à l'autre et séparés par un espace de lubrification (E), le premier arbre (10) étant monté dans le deuxième arbre (20), la turbomachine comportant au moins un palier (30) de guidage desdits arbres (10, 20) monté extérieurement au deuxième arbre (20) et des moyens (50) d'amenée d'un flux d'huile de lubrification (F) disposés intérieurement au premier arbre (10), le premier arbre (10) comportant des premiers orifices de distribution (11) agencés pour distribuer l'huile de lubrification depuis les moyens d'amenée (50) vers l'espace de lubrification (E), le deuxième arbre (20) comportant des deuxièmes orifices de distribution (21) agencés pour distribuer l'huile de lubrification depuis l'espace de lubrification (E) vers le palier de guidage (30) pour le lubrifier, turbomachine caractérisée par le fait que les deuxièmes orifices de distribution (21) s'étendent de manière oblique par rapport à une direction radiale (R) définie par rapport à l'axe (X) de la turbomachine. 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle, les premiers orifices (11) s'étendent selon la direction radiale (R) définie par rapport à l'axe (X) de la turbomachine. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle, les premiers et/ou deuxièmes orifices (1, 21) s'étendent de manière rectiligne. 4. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle, les premier et deuxième 25 arbres (10, 20) sont contrarotatifs. 5. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle, la direction (C) des deuxièmes orifices de distribution (21) formant un angle de collection a par rapport à la direction radiale (R), l'angle de collection a est supérieur à 75°. 30 6. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle, la direction (C) des deuxièmes orifices de distribution (21) formant un angle de collection a par rapport à la direction radiale (R), le premier arbre moteur (10) étant adapté pour tourner à une vitesse de référence prédéterminée en régime courant, l'huile de lubrification étant distribuée par 35 les premiers orifices de distribution (11) selon une direction de distribution de référence (D) qui est fonction de la vitesse de référence prédéterminée, la direction de distribution de référence (D) forme un angle de distribution par rapport à la direction radiale (R) définie par rapport à l'axe (X) de la turbomachine, l'angle de collection a des deuxièmes orifices de distribution (21) est sensiblement égal à l'angle de distribution . 40 7. Turbomachine selon la revendication 6, dans laquelle, l'angle de distribution est défini pour une vitesse de rotation maximale prédéterminée du premier arbre moteur (10). 8. Turbomachine selon la revendication 6, dans laquelle, l'angle de distribution est défini pour une vitesse de rotation moyenne prédéterminée du premier arbre moteur (10), de préférence, la vitesse de croisière du premier arbre moteur (10). 9. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle, le premier arbre moteur (10) est un arbre de turbine basse pression d'une turbomachine et le deuxième arbre 10 moteur (20) est un arbre de turbine haute pression d'une turbomachine.