Brevet FR2990234A1 — publié le 20131108

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un système d'alimentation en huile d'un groupe turbopropulseur comportant au moins une hélice, une transmission d'hélice couplée à l'hélice et un dis- positif de réglage d'hélice pour modifier le pas des pales de l'hélice, ce système d'alimentation en huile comportant un circuit d'huile avec une pompe principale d'hélice pour alimenter la transmission d'hélice et une pompe haute pression d'hélice associée au dispositif de réglage de pas d'hélice. Un groupe turbopropulseur se compose essentiellement d'une turbomachine avec au moins une hélice entraînée par une transmission d'hélice et reliée à un dispositif de réglage d'hélice pour modifier l'angle (le pas) des pales de l'hélice. Les groupes turbopropulseurs sont habituellement équipés de deux circuits d'huile distincts. L'alimentation en huile de la turbomachine est faite par un premier circuit. Le second circuit d'huile alimentant le système d'hélice comporte un réservoir d'huile, une pompe principale d'hélice (en général couplée à l'arbre de l'hélice) et constituant la pompe de transfert d'huile ainsi que le cas échéant un filtre à huile et un radiateur d'huile faisant partie de la transmission d'hélice alimentée avec l'huile pompée. Il est également prévu une pompe haute pression d'hélice reliée au dispositif de réglage d'hélice recevant une partie du débit d'huile pour générer la pression nécessaire au réglage des pales de l'hélice en étant intégrée dans le second circuit d'huile. Le système d'alimentation en huile décrit ci-dessus a l'inconvénient que dans le circuit d'huile alimentant le système d'hélice, dans certaines conditions, l'alimentation en huile de la pompe haute pression d'hélice et ainsi la pression amont cette pompe haute pression d'hélice risque d'être trop faible si bien que le dispositif de réglage d'hélice sera sous-alimenté et son fonctionnement limité pour régler l'angle ou le pas voulu pour les pales de l'hélice. De plus, dans ce cas la pompe haute pression risque d'être endommagée. Un trop faible débit d'huile et une pression amont trop faible au niveau de la pompe haute pression d'hélice, peuvent égale- ment provenir de ce que la pompe haute pression d'hélice couplé à l'arbre d'hélice ne reçoit plus d'huile du réservoir en cas d'apesanteur ou de pesanteur négative car l'inversion brusque de la gravitation éloigne l'huile de la sortie d'huile du réservoir. Il peut en résulter une pression faible ou défaillante ou insuffisante pour permettre le réglage des pales de l'hélice. En outre, en cas de défaillance de l'alimentation en huile, la pompe haute pression pompe de l'air du réservoir d'huile et le débite vers le dispositif de réglage d'hélice. Si cet air arrive dans le dispositif de réglage d'hélice, la pression de réglage d'hélice s'effondre et le dispositif de réglage d'hélice commande le blocage de l'hélice qui ne peut plus se régler et ne permet plus de réguler correctement la puissance du groupe moteur. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un sys- tème d'alimentation d'huile d'un groupe turbopropulseur qui même en cas de sous-alimentation en huile, garantit le bon fonctionnement du système de réglage d'hélice. Exposé et avantage de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un système d'alimentation en huile du type défini ci-dessus caractérisé par un ac- cumulateur d'huile qui en cas de sous-alimentation en huile de la pompe principale d'hélice, fournit l'huile d'un accumulateur d'huile à l'entrée de la pompe haute pression pour ne pas descendre en-dessous d'une certaine pression d'entrée minimale de la pompe haute pression, l'accumulateur d'huile étant intégré dans l'alimentation de la pompe haute pression pour être en permanence alimenté et rechargé en huile par la pompe haute pression. Ainsi, l'accumulateur d'huile est intégré dans l'alimentation de la pompe haute pression de l'hélice pour alimenter et charger en permanence la pompe haute pression de l'hélice avec de l'huile. La solution selon l'invention repose sur l'idée d'intégrer un accumulateur d'huile dans le circuit d'huile du système d'alimentation en huile et qui en cas de sous-alimentation en huile pourra, pendant une durée fixée ou spécifiée, qui peut par exemple cor- respondre à une durée de sous-alimentation en huile de l'ordre de vingt secondes, en cas d'apesanteur ou de pesanteur négative, assurer une pression d'entrée minimale de la pompe haute-pression de l'hélice et maintenir le bon fonctionnement du système de réglage d'hélice pour éviter le blocage de l'hélice et garantir la régulation correcte du groupe moteur. L'alimentation en huile du système de réglage d'hélice est ainsi assurée cas de sous-alimentation d'huile par l'accumulateur d'huile. L'accumulateur d'huile est intégré dans l'arrivée de la pompe haute pression d'hélice pour assurer en permanence l'alimentation et la charge en huile de la pompe haute pression de l'hélice. L'accumulateur d'huile est ainsi chargé en huile par la pompe haute pression en mode de fonctionnement normal sans nécessiter d'installation de pompe supplémentaire. Selon un développement de l'invention, l'accumulateur d'huile est relié par des conduites d'huile, des vannes et clapets pour qu'en fonctionnement régulier du système d'alimentation en huile, il se recharge automatiquement avec l'huile et qu'en cas de sous-alimentation en huile, il fournisse l'huile sous un débit volumique et une pression déterminés à la pompe haute pression de l'hélice. En mode de fonctionnement normal, c'est-à-dire pour une alimentation continue en huile assurée par la pompe haute pression et un accumulateur complètement chargé, l'huile arrive directement à la pompe haute pression de l'hélice qui transfère alors l'huile au système de réglage d'hélice. Selon un autre développement de l'invention, l'accumulateur d'huile n'a pas de moyen d'entraînement électrique et il est exclusivement commandé par les pressions qui lui sont appliquées. Selon un autre développement, l'alimentation de l'accumulateur d'huile comporte un clapet qui en cas de sortie d'huile de l'accumulateur d'huile, se ferme automatiquement pour éviter le re- tour de l'huile de l'accumulateur d'huile vers la conduite principale de la pompe haute pression d'hélice. Ce clapet (ou vanne) est par exemple réalisé(e) comme clapet anti-retour. Dès que la pression d'huile, fournie par l'accumulateur d'huile, dépasse la pression d'huile fournie par la pompe haute pression de l'hélice, le clapet anti-retour se ferme automa- tiquement, ce qui garanti que l'huile circule seulement vers la pompe haute pression de l'hélice. Selon un autre développement, le circuit d'huile du sys- tème d'alimentation en huile de l'invention a une conduite principale vers la transmission de l'hélice qui est alimentée par l'huile de la pompe haute pression de l'hélice. En plus, s'il est prévu une conduite auxiliaire dérivant de la conduite principale et qui comporte dans l'ordre, d'abord l'accumulateur d'huile puis la pompe haute pression de l'hélice. L'accumulateur d'huile, la pompe haute pression de l'hélice et le dispo- sitif de réglage de l'hélice alimenté en huile par cette pompe haute pres- sion se trouvent ainsi dans une branche de circulation particulière du système d'alimentation en huile. Le clapet évitant le retour de l'huile dans la conduite principale se trouve directement derrière la dérivation de la conduite auxiliaire partant de la conduite principale et ainsi il se trouve dans la conduite d'alimentation de l'accumulateur d'huile. L'accumulateur d'huile est conçu pour avoir deux chambres d'huile sous-pression, hydrauliquement distinctes, à savoir une première et une second chambre d'huile sous-pression. La première chambre d'huile sous-pression contient une quantité d'huile suffisante pour qu'en cas de sous-alimentation en huile, la pompe haute pression de l'hélice puisse fournir cette quantité d'huile. En mode de fonctionnement normal, la première chambre d'huile sous-pression est remplie d'huile. La second chambre d'huile sous-pression est sollicitée par une pression telle qu'en cas de sous-alimentation, l'huile est refoulée de la première chambre l'huile sous-pression. La nature du couplage entre les deux chambres d'huile sous-pression de l'accumulateur d'huile est en principe quelconque dans la mesure où la fonction évoquée ci-dessus est réalisée. Selon un développement, la première chambre d'huile sous-pression loge un premier piston et la seconde chambre d'huile sous-pression loge un se- cond piston, ces deux pistons étant reliés par une tige de piston. Lorsque le piston se translate dans une direction, l'huile est refoulée de sa chambre d'huile sous-pression pour remplir l'autre chambre d'huile sous-pression. Lorsque la tige de piston se déplace dans l'autre direc- tion, la situation s'inverse. La première chambre d'huile sous-pression selon une variante a un volume plus grand que celui de la seconde chambre d'huile sous-pression car seule la première chambre d'huile sous-pression fournit de l'huile en cas de sous-alimentation en huile. Le premier piston a une première surface de piston et le second piston aune seconde surface de piston. La première surface de piston et la seconde surface de piston sont dans un certain rapport qui, avec la pression d'entrée appliquée à la second chambre d'huile sous-pression sont dimensionnés pour que la force de la seconde surface de pistons soit supérieure à la force de la première surface de piston au cas où l'entrée de la pompe haute pression de l'hélice passe en dessous de la pression d'entrée minimale de pompe. Dans ce cas c'est-à-dire pour une sous-alimentation en huile, le premier piston est déplacé par la tige de piston dans sa chambre pour refouler de l'huile de sa chambre et fournir cette huile à la pompe haute pression de l'hélice pour maintenir la pression minimale d'entrée de pompe. Selon un autre développement, la sortie de la pompe haute pression de l'hélice est reliée à la seconde chambre d'huile sous-pression et la première chambre d'huile sous-pression est reliée à l'entrée de la pompe haute pression de l'hélice sans réaliser un circuit d'huile fermé car les deux chambres de l'accumulateur d'huile sont séparées hydrauliquement l'une de l'autre. Selon un développement, la sortie de la pompe haute pression de l'hélice est reliée par l'intermédiaire d'une soupape ou vanne de réduction de pression d'huile à la seconde chambre d'huile sous-pression de l'accumulateur d'huile. Cela se fait en se réglant sur une certaine pression constante pour réguler l'accumulateur d'huile. Cette pression constante encore appelée « pression de commande » est réglée pour que l'accumulateur d'huile ne soit sollicité (c'est-à-dire qu'il ne fournisse de l'huile) que si la pression d'huile dans la première chambre d'huile sous pression descend en-dessous d'un niveau préalablement fixé. L'accumulateur d'huile est conçu pour qu'en cas d'alimentation normale en huile de la pompe principale d'hélice, la force de piston exercée par la pression d'huile sur le premier piston de la première chambre d'huile sous-pression dépasse la force de piston exercée sur le second piston et qui est générée par la pression d'huile dans la second chambre de piston. En mode de fonctionnement normal, le premier piston se déplace pour que la première chambre d'huile sous- pression soit remplie au maximum avec de l'huile. Le volume d'huile de la première chambre d'huile sous-pression est de préférence suffisant pour garantir l'alimentation en huile de l'installation de réglage d'hélice pendant une durée préalablement fixée. Cette durée fixée est, par exemple, de l'ordre de vingt ou quarante secondes et correspond à une apesanteur ou une pesanteur négative d'une durée maximale de vingt ou quarante secondes. Selon un autre développement de l'invention, le système d'alimentation en huile comporte un autre circuit d'huile pour alimenter la turbomachine du groupe turbopropulseur. Cet autre circuit d'huile est de préférence séparé du circuit d'huile alimentant le système d'hélice. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière détaillée à l'aide d'un système d'alimentation en huile d'un groupe tur- bopropulseur représenté schématiquement dans le dessin annexé dans lequel : - l'unique figure est un schéma par blocs d'un exemple de réalisation d'un système d'alimentation en huile d'un groupe turbopropulseur. Description d'un mode de réalisation de l'invention Le système d'alimentation en huile est destiné à l'alimentation en huile d'un groupe turbopropulseur 2 et d'un dispositif de réglage du pas d'hélice 5. Le groupe turbopropulseur 2 est relié à une hélice (non représentée) faisant partie du groupe turbopropulseur ; le groupe est par exemple entraîné par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement non-représenté d'une turbomachine non représentée du groupe de turbopropulseur. Le dispositif de réglage du pas 5 permet de régler le pas des pales de l'hélice. L'alimentation en huile de la transmission de l'hélice 2 et du dispositif de réglage de l'hélice 5 comporte un système d'alimentation en huile avec un circuit d'huile comprenant une pompe principale d'hélice 1, la transmission d'hélice 2, un accumulateur d'huile 3, une pompe haute pression d'hélice 4 et un dispositif de réglage d'hélice 5. Les autres composants sont la vanne de réduction de pression d'huile 6 et le clapet anti-retour 7. Il est à remarquer que le système d'alimentation en huile comporte en plus du circuit d'huile décrit ci-dessus, un autre circuit d'huile pour alimenter la turbomachine du groupe turbopropulseur. Cet autre circuit d'huile est un circuit distinct non représenté mais les deux circuits peuvent avoir un réservoir d'huile en commun. La pompe principale d'hélice 1 assure le transfert de l'huile à partir du réservoir d'huile non représenté pour fournir cette huile à une pression Pl à la conduite principale 81 alimentant la transmission d'hélice 2. La conduite principale 81 comporte une dérivation 80 avec une conduite auxiliaire 82. La conduite auxiliaire 82 fait passer l'huile à travers la soupape anti-retour 7 et l'accumulateur d'huile 3 vers la pompe haute pression 4. L'accumulateur d'huile 3 a une pression d'entrée P2 et la pompe haute pression 4 a une pression d'entrée P3. Les pressions P2 et P3 sont identiques à la chute de pression près correspondant à la longueur de la conduite auxiliaire 82. En fonctionnement normal lorsque l'accumulateur d'huile 3 ne fournit pas d'huile alimentant la pompe haute pression 4, les pressions P2 et P3 sont pratiquement identiques à la pression Pl, à la différence près de la chute de pression engendrée par la longueur de la conduite auxiliaire 82. La pression P3 est réglée pour avoir une pression d'entrée minimale à la pompe haute pression 4. Cette pression est par exemple dans une plage comprise entre 200 kPa et 300 kPa et notamment égale à 240 kPa. Cette pression d'entrée minimale est nécessaire pour assurer une alimentation en huile suffisante de la pompe haute pression 4 de l'hélice. La pompe haute pression 4 fournit en sortie une pression P4 au dispositif de réglage d'hélice 5. Cette pression P4 est significativement supérieure à la pression P3 ; par exemple elle est multipliée dans un rapport de 50 à 150. L'accumulateur d'huile 3 a deux chambres d'huile sous- pression 31, 32 de forme cylindrique. La chambre d'huile sous-pression 31 a une capacité plus grande que l'autre chambre d'huile sous-pression 32. Pour cette raison, la chambre d'huile sous-pression 31 sera appelée ci-après « chambre principale d'huile sous-pression » et l'autre chambre d'huile sous-pression 32 sera appelée « chambre auxi- haire d'huile sous-pression ». La chambre principale d'huile sous-pression 31 comporte un premier piston 33. La chambre auxiliaire d'huile sous-pression 32 comporte un second piston 34. Les deux pistons 33, 34 sont reliés par une tige de piston 35 qui coulisse de façon à faire coulisser les deux pis- tons 33, 34 et la tige de piston 35 dans la direction longitudinale. Le premier piston 33 a une surface Al et le grand second piston 34 une surface A2 ; la première surface de piston Al est supérieure à la seconde surface de piston A2. La position des pistons 33, 34 dans les deux chambres 31, 32 dépend de ce que la force Fi exercée sur le premier piston 33 ou al force F2 exercée sur le second piston 34 est la plus grande. Cela sera détaillé ensuite. En tout état de cause, le système d'alimentation en huile assure que la force (F2) agissant sur la seconde surface de piston (A2) est égale à la force (F1) agissant sur la première surface de piston (Ai) lorsque la pression d'entrée (P3) de la pompe haute pression d'hélice (4) est légèrement supérieure à la pression d'entrée minimale de pompe. La sortie de la pompe haute pression 4 est reliée avec interposition d'une autre conduite 83 et de la soupape de réduction de pression d'huile 6 à la chambre auxiliaire d'huile sous-pression 32. L'entrée de la soupape de réduction de pression 6 reçoit une pression P5 qui, abstraction faite de la chute de pression engendrée par la longueur de la conduite de transfert 83, est identique à la pression P4 et de ce fait elle est également très élevée. La sortie de la soupape de réduc- tion de pression 6 et ainsi l'entrée de la chambre auxiliaire d'huile sous- pression 32 reçoivent une pression d'entrée P6 réduite. La pression P6 est diminuée par exemple dans un rapport de 10 à 15 par rapport à la pression P5. Le but du système d'alimentation en huile décrit ci- dessus est de maintenir la pression d'entrée P3 de la pompe haute pres- sion 4 toujours au-dessus d'une pression minimale d'entrée de pompe nécessaire pour assurer une alimentation en huile suffisante de la pompe haute pression 4. Ce maintien d'une pression minimale d'entrée doit notamment être assuré au cas où l'alimentation en huile se fait par la pompe principale 1 par exemple parce que l'avion vole sur une trajec- toire parabolique. Dans ce cas, la pompe principale 1 ne peut prélever de l'huile du réservoir et les pressions Pl, P2, P3 fournies chutent par exemple à 100 kPa, voire à une pression nulle. Pour la compréhension du système d'alimentation d'huile selon l'invention, on examinera tout d'abord le mode de fonctionnement normal, c'est-à-dire le cas où la pompe principale 1 fournit un débit volumique suffisant et une pression d'entrée P3 supérieure à la pression minimale d'entrée de la pompe haute pression 4. Dans ce cas, P3 (qui est identique aux pressions P2 et Pl à l'éventuelle chute de pression près correspondant à la longueur de conduite) est supérieure à la pres- sion minimale d'entrée de la pompe. En même temps, en mode de fonctionnement normal, le rapport des deux surfaces de piston A 1 /A2 est dimensionné et la pression d'entrée P6 de la chambre d'auxiliaire d'huile sous-pression 32 est choisie pour que la force Fi exercée sur la surface de piston Al soit su- périeure à la force F2 exercée sur la surface de piston A2. De façon connue, on a la relation P = F/A (p est une pression et A est l'amplitude d'une force normale à la surface). Ainsi en mode de fonctionnement normal, on a la relation : Fl = P2 x Al > F2 = P6 x A2. Comme la force Fi est plus grande, le piston 33 de la chambre principale 31 se déplace vers la droite et la chambre principale 31 se remplit au maximum avec de l'huile. De façon correspondante, le piston 34 de la chambre auxiliaire 32 est déplacé pour que la chambre auxiliaire 32 ne soit remplie qu'avec un minimum d'huile mais que néanmoins il subsiste un volume résiduel rempli d'huile. En cas de sous-alimentation en huile, la pression P3 des- cend en dessous de la pression minimale d'entrée de la pompe haute-pression 4 avec le risque d'une sous-alimentation et d'une limitation du fonctionnement du dispositif du réglage d'hélice 5. Or, le rapport des surfaces de piston A 1 /A2 et la pression d'entrée P6 de la chambre auxiliaire d'huile sous-pression 32 sont dimensionnés pour qu'en cas de chute de la pression P3 (qui pour l'essentiel est égale à la pression P2) la force F2 agissant sur la surface de piston A2 dépasse la force Fi agissant sur la surface de piston Al pour que le piston 34 pousse le pis- ton 33 de la chambre principale 31 vers la gauche par l'intermédiaire de la tige de piston 35 et fournit ainsi de l'huile à partir de l'accumulateur d'huile 3. Cela se fait en générant une pression à l'entrée de la pompe haute pression 4 qui est au minimum égale à la pression mini- male de la pompe haute-pression 4. Cela garantit le bon fonctionnement de la pompe haute pression et du dispositif de réglage d'hélice 5. Comme la pression déjà fournie par l'accumulateur d'huile 3 est maintenant supérieure à la pression Pl de la pompe principale, le clapet an- ti-retour 7 se ferme automatiquement ce qui évite de manière certaine le retour d'huile de l'accumulateur d'huile 3 dans la conduite principale 81 de la pompe haute pression 1. En cas de chute de la pression P3 en dessous de la pres- sion minimale, le clapet 7 se ferme de sorte que la pression Pl est alors inférieure aux pressions P2 et P3 car ces deux pressions P2 et P3 sont maintenues par l'accumulateur d'huile 3. Les pressions Pl, P2, P3 sont ainsi identiques seulement en mode de fonctionnement normal. En mode de fonctionnement avec l'accumulateur d'huile, lorsque la pompe principale 1 ne fournit qu'un débit volumique et une pression P3 insuffisants, les forces Fi, F2 appliquées sur les surfaces de piston Ai, A2 seront dans la relation suivante : Fl = P3 x Al Si la pression minimale d'entrée de la pompe se situe par exemple à 240 kPa, les pressions Fi et F2 sont égales par exemple avec une pression P3 = 250 kPa qui est ainsi légèrement supérieur. Cela garantit que F2 dépasse Fi dès que la pression P3 descend en-dessous du point de conception et qu'ainsi l'accumulateur d'huile 3 fournit le débit volumique et la pression d'huile P3. L'accumulateur d'huile 3 est dimensionné pour que les forces Fi et F2 soient légèrement supérieures à la pression d'entrée minimale de la pompe (dans l'exemple considéré on a par exemple 250 kPa) : Fi = F2. Si la pression P1 est inférieure à 250 kPa, la tige de pis- ton 35 coulisse automatiquement vers la gauche car Fi est inférieur à F2. L'huile voudrait dans ce cas passer en direction de la transmission d'hélice 2 du fait du niveau de pression modifié car l'huile à tendance à circuler toujours en direction du niveau de pression le plus bas. Mais ce retour est évité par la fermeture du clapet anti-retour 7 qui réagit à une inversion de sens de passage. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation présenté ci-dessus qui n'en constitue qu'un exemple. Ainsi, l'accumulateur d'huile peut être réalisé différemment de celui représen- té, par exemple il peut avoir des chambres d'huile sous-pression et des pistons réalisés différemment.35 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Pompe principale d'hélice 2 Transmission d'hélice 3 Accumulateur d'huile 4 Pompe haute pression d'hélice 5 Dispositif de réglage d'hélice 6 Soupape de réduction de pression d'huile 7 Clapet anti-retour 31 Chambre principale d'huile sous-pression 32 Chambre auxiliaire d'huile sous-pression 33 Piston 34 Piston 35 Tige de piston 80 Conduite de dérivation 81 Conduite principale 82 Conduite auxiliaire Al Surface du piston 33 A2 Surface du piston 34 Fi Force exercée par la surface de piston Al F2 Force exercée par la surface de piston A2 P3 Pression à l'entrée de la pompe haute pression 4 P4 Pression à la sortie de la pompe haute pression 4 P5 Pression à l'entrée de la soupape de réduction de pression d'huile 6 P6 Pression à la sortie de la soupape de réduction de pression d'huile30