Brevet FR3013075A1 — publié le 20150515

SYSTEME D'ALIMENTATION EN HUILE PAR POMPE A JET DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention porte sur l'alimentation en huile des turbomachines d'aéronef. Celle-ci est généralement effectuée par une pompe volumétrique. Ce type de pompe est particulièrement affecté par la pression absolue à leur entrée. La pression en entrée des pompes d'alimentation dépend directement de celle du réservoir auquel elles sont reliées. Ce réservoir est lui-même placé à la pression de l'enceinte du moteur, l'enceinte étant elle-même liée à la pression atmosphérique. A haute altitude par exemple, des pressions basses peuvent provoquer une vaporisation localisée de l'huile sous forme de bulles qui peuvent ensuite imploser et endommager les éléments pompant (c'est le phénomène de cavitation). Cet endommagement réduit la durée de vie des pompes. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Afin de limiter la chute de la pression de référence de l'huile, une option consisterait à limiter l'altitude de vol de l'aéronef. Cette solution revient à limiter les capacités de fonctionnement de l'avion et n'est commercialement pas envisageable. Une autre solution serait de maintenir la pression dans l'enceinte moteur à un niveau plus élevé en prélevant des gaz sous plus haute pression depuis un compresseur haute pression (HP). Néanmoins, la température des gaz dans le compresseur HP est hors des limites acceptables pour les éléments contenus dans l'enceinte moteur. D'autre part, l'air comprimé est prévu pour la combustion et un prélèvement excessif reviendrait à perdre en performance moteur. Une solution répandue est de placer un clapet de pressurisation sur la canalisation de mise à l'air libre du réservoir. Ce clapet crée une perte de charge qui limite la chute de pression dans le réservoir, donc en entrée des pompes d'alimentation. Cette solution est relativement simple. Cependant, lors de différents cas de panne qu'un moteur peut rencontrer (contamination de l'huile par du carburant, surremplissage du réservoir) du fluide peut s'écouler par la canalisation de mise à l'air libre du réservoir et il peut se produire une surpression. Le réservoir doit alors être prévu massif, c'est-à-dire avec une épaisseur de paroi importante, de manière à tenir cette pression rencontrée uniquement lors de ces pannes potentielles. Les solutions existantes affectent généralement le domaine d'utilisation du moteur ou font empirer les conditions de fonctionnement des équipements. L'invention vise ainsi à proposer une solution avantageuse pour élargir le domaine de fonctionnement du moteur et pour limiter les contraintes de fonctionnement des équipements (pression d'épreuve pour le réservoir, débit à pomper pour la pompe d'alimentation, etc.). Il s'agit notamment à partir des situations de vols existantes de minimiser l'impact des points dangereux pour la durée de vie des pompes. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ainsi, l'invention porte sur un circuit de lubrification pour turbomachine d'aéronef, comportant un réservoir et une pompe d'alimentation, le circuit comportant en outre : - un dispositif de récupération d'énergie disposé entre la sortie de la pompe d'alimentation et une enceinte moteur en communication fluidique avec la sortie de la pompe d'alimentation, un dispositif d'énergisation de lubrifiant disposé entre le réservoir et l'entrée de la pompe d'alimentation. L'invention permet avantageusement de s'affranchir d'un clapet de pressurisation dans la canalisation de mise à l'air libre du réservoir. Ainsi, le réservoir n'a pas à supporter des pressions extrêmes en cas de panne. L'invention rend en outre possible l'utilisation d'un réservoir de lubrifiant plat (qui supporte mal les hautes pressions) permettant de gagner en compacité à l'installation, par exemple dans une zone disposée entre le moteur et sa nacelle. L'invention a pour intérêt d'augmenter la pression en entrée de la pompe d'alimentation sur les phases de fonctionnement à pression minimum, dont les cas critiques d'un redémarrage ou d'un ralenti lors du vol de l'aéronef à haute altitude. Ceci permet de limiter voire d'éliminer le phénomène de cavitation dans la pompe d'alimentation lors de ces phases de basse pression. On limite ainsi l'endommagement de la pompe lors de ses cycles de fonctionnement, augmentant de fait leur durée de vie. Avantageusement, le dispositif d'énergisation de lubrifiant comporte une pompe à jet. La pompe à jet permet de récupérer de l'énergie hydraulique en récupérant une partie du lubrifiant en sortie de la pompe d'alimentation. La pompe à jet étant un élément passif, ce mode de réalisation présente l'avantage de ne pas avoir à prendre en compte certains cas de panne, permettant une fiabilité améliorée par rapport aux systèmes de pressurisation du réservoir par un clapet mobile. Selon une caractéristique avantageuse le dispositif de récupération d'énergie comporte une canalisation de recirculation de lubrifiant reliée en communication fluidique à une entrée de la pompe à jet. Selon une autre caractéristique avantageuse, le dispositif de récupération d'énergie comporte un dispositif automatique d'obturation de la canalisation de recirculation. Dans un mode de réalisation avantageux alternatif, le dispositif de récupération d'énergie comporte une turbine. Selon une caractéristique avantageuse particulière, le dispositif d'énergisation de lubrifiant comporte une pompe centrifuge. La turbine permet de récupérer de l'énergie mécanique, par exemple depuis un rotor immergé dans la canalisation de sortie de la pompe d'alimentation, pour alimenter la pompe centrifuge. De manière non limitative, un arbre assurera par exemple le transfert de mouvement depuis la turbine vers la pompe centrifuge par l'intermédiaire d'un couple conique, ou encore par entraînement direct. Selon une caractéristique avantageuse, la pompe à jet est disposée au point haut d'un système de canalisation en col de cygne. Selon une caractéristique avantageuse alternative, un dispositif antisiphon est placé en sortie du réservoir. L'invention porte également sur un procédé de lubrification avantageux pour turbomachine d'aéronef, comportant : - une étape de récupération d'énergie mécanique en aval d'une pompe d'alimentation en lubrifiant d'un circuit de lubrification de ladite turbomachine, une étape d'énergisation de lubrifiant en amont de ladite pompe d'alimentation avec l'énergie récupérée lors de l'étape de récupération d'énergie. Dans un procédé particulièrement avantageux selon l'invention : - l'étape de récupération d'énergie mécanique est réalisée au moyen d'une canalisation de recirculation dudit lubrifiant, et, - l'étape d'énergisation de lubrifiant est réalisée au moyen d'une pompe à jet en entrée de laquelle la canalisation de recirculation est connectée. Dans un procédé alternatif avantageux selon l'invention : - l'étape de récupération d'énergie mécanique est réalisée au moyen d'une turbine, et, - l'étape d'énergisation de lubrifiant est réalisée au moyen d'une pompe centrifuge, un arbre de transfert étant monté à entraînement sur la turbine, la pompe centrifuge étant alimentée en énergie mécanique au moyen de l'arbre de transfert. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un diagramme de principe d'un circuit de lubrification à récupération d'énergie mécanique pour turbomachine d'aéronef selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma d'un premier mode de réalisation de circuit de lubrification selon le principe de la figure 1; - la figure 3 est un schéma d'une variante du circuit de lubrification de la figure 2 ; - la figure 4 est un schéma d'une vanne optionnelle disposée en sortie d'une pompe d'alimentation que comporte le circuit de lubrification de la figure 2 ; - la figure 5 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation de circuit de lubrification selon le principe de la figure 1. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 représente une turbomachine 1 d'aéronef dont une enceinte moteur 2 est alimentée par un circuit de lubrification 3. Le circuit de lubrification 3 comporte un réservoir de lubrifiant 4 ou d'huile, un dispositif d'énergisation ou de pressurisation de lubrifiant 5 et une pompe d'alimentation 6. Ici, le dispositif d'énergisation de lubrifiant 5 est monté en communication fluidique avec la sortie du réservoir 4 par l'intermédiaire d'une canalisation 9. La pompe d'alimentation 6 est montée en communication fluidique avec la sortie du dispositif d'énergisation de lubrifiant 5 par l'intermédiaire d'une canalisation 10. Une canalisation 11 est montée sur la sortie de la pompe 6 et alimente en lubrifiant l'enceinte moteur 2. Le circuit 3 comporte par ailleurs une pompe de récupération 7 montée en communication fluidique en sortie de l'enceinte moteur 2, par exemple en un point bas, par l'intermédiaire d'une canalisation 12. Une canalisation 13 est montée en sortie de la pompe de récupération 7 et relie celle-ci au réservoir 4. Les canalisations 9 à 13 sont ainsi montées en une boucle principale de transfert de lubrifiant. Une conduite de mise à l'air libre 14 du réservoir relie un point haut du réservoir 4 à l'enceinte moteur 2. La conduite 14 permet l'échappement de l'air, éventuellement présent dans le lubrifiant récupéré par la pompe 7, vers l'extérieur 17 de la turbine 1, via l'enceinte moteur 2. Le circuit 3 comporte en outre un dispositif de récupération d'énergie 15. Le dispositif 15 est relié d'une part en sortie de la pompe d'alimentation 6 où il prélève de l'énergie, par exemple en un noeud 16 de dérivation prévu sur la canalisation 11, et d'autre part en une entrée du dispositif d'énergisation de lubrifiant 5 où le lubrifiant est pressurisé. Par rapport à un circuit de lubrification standard, la capacité de la pompe d'alimentation 6 est légèrement surdimensionnée de manière à ce que le prélèvement d'énergie mécanique par le dispositif 15 n'affecte pas la lubrification de l'enceinte moteur 2. Dans la description qui suit, certains éléments sont repris à l'identique et ne sont pas redécrits. D'autres éléments remarquables méritent les explications détaillées suivantes. La figure 2 illustre un premier mode de réalisation 103 du circuit de lubrification de la figure 1. Dans ce circuit 103, le dispositif d'énergisation de lubrifiant est la pompe à jet 105 (en anglais : 'jet pump'). Une canalisation de recirculation ou de dérivation 115 est montée en communication fluidique depuis un noeud de dérivation 116 qui est situé sur la canalisation 11, jusqu'à la pompe à jet 105. La pompe à jet 105 comporte ainsi deux entrées de lubrifiant qui proviennent respectivement de la canalisation 9 et de la canalisation de recirculation 115. La pompe à jet 105 est un élément passif qui permet par effet Venturi de pressuriser, c'est-à-dire d'accélérer, le lubrifiant en provenance du réservoir 4, et donc en entrée de la pompe d'alimentation 6, à l'aide du lubrifiant en provenance de la canalisation de recirculation 115. Dans ce premier mode de réalisation, un clapet de fermeture 4a (ou vanne anti-siphon) est disposé en sortie de réservoir 4, par exemple directement sur un orifice de sortie du réservoir 4 comme en figure 2. Alternativement mais non limitativement, celui-ci est disposé directement sur la canalisation 9 entre la sortie du réservoir 4 et l'entrée de la pompe à jet 105. Ce clapet 4a empêche avantageusement la vidange du réservoir 4 dans le circuit 103 sous l'effet de la gravité à l'arrêt moteur, c'est-à-dire qu'il empêche la vidange à travers les jeux des pompes 105 et 6 selon le principe des vases communicants. En figure 3, une variante 103a du circuit de lubrification 103 est représentée. Le circuit de lubrification 103a présente une structure de canalisation en col de cygne 104 au sommet de laquelle est disposée la pompe à jet 105. Ici, la structure de canalisation en col de cygne 104 comporte une canalisation 9a arrangée depuis la sortie du réservoir 4 jusqu'à un point haut de celui-ci où est disposée la pompe à jet 105. Une canalisation 10a relie ensuite la sortie de la pompe à jet 105 à l'entrée de la pompe d'alimentation 6. La structure en col de cygne 104 permet d'empêcher une vidange à l'arrêt moteur. Lors de la phase de démarrage au sol de l'aéronef, c'est-à-dire à bas régime moteur mais néanmoins à pression suffisante (de l'ordre d'un bar), le phénomène de cavitation n'est pas un problème et il n'est pas indispensable d'opérer une recirculation de lubrifiant. Il est donc possible d'installer dans la canalisation de recirculation 115, par exemple mais non limitativement au niveau du noeud 116, une vanne automatisée 102 (voir figure 4), ou un autre dispositif d'obturation de la canalisation de recirculation 115. Dans un état fermé de la vanne 102, la canalisation 115 est obturée et le lubrifiant ne circule dans la canalisation 11 qu'en direction de l'enceinte moteur 2. Alternativement mais non limitativement, un distributeur (non représenté) est disposé au noeud 116 de manière à permettre l'acheminement en lubrifiant soit uniquement en direction de l'enceinte moteur 2, soit simultanément vers l'enceinte moteur 2 et la canalisation de recirculation 115. Lors de la phase de vol, par exemple aussitôt après le décollage, en croisière ou lors d'un ralenti à haute altitude, la vanne 102 est basculée vers un état ouvert. En figure 5, un deuxième mode de réalisation 203 du circuit de lubrification de la figure 1 est représenté. Ici, le dispositif d'énergisation de lubrifiant est une pompe centrifuge 205. Le dispositif de récupération d'énergie est quant à lui une turbine 216 disposée en sortie de la pompe d'alimentation 6. Un arbre 215 est monté à rotation dans le circuit 203 et assure le transfert d'énergie entre la turbine 216 et la pompe centrifuge 205, par exemple par entraînement direct ou par l'intermédiaire d'un couple conique. La récupération d'énergie se fait alors par un organe purement mécanique et non plus hydraulique comme dans le mode illustré en figures 2 et 3. En figure 5, le réservoir 4 est pourvu à sa sortie d'un clapet de fermeture 4a tel que décrit dans le premier mode de réalisation (voir figure 2). En variante non représentée, la pompe centrifuge 205 est disposée au point haut d'une structure de canalisations en col de cygne tel qu'il est illustré en figure 3 en référence au circuit 103a. L'invention porte encore sur un procédé de lubrification pour turbomachine d'aéronef, comportant : - une étape de récupération d'énergie mécanique en aval d'une pompe d'alimentation 6 en lubrifiant d'un circuit de lubrification de ladite turbomachine tel que décrit ci-dessus, - une étape d'énergisation de lubrifiant en amont de ladite pompe d'alimentation 6 avec l'énergie récupérée lors de l'étape de récupération d'énergie. L'étape de récupération d'énergie mécanique peut être réalisée au moyen de la canalisation de recirculation 115 dudit lubrifiant, et, l'étape d'énergisation de lubrifiant est alors par exemple réalisée au moyen de la pompe à jet 105 en entrée de laquelle la canalisation de recirculation 115 est connectée. L'étape de récupération d'énergie mécanique peut alternativement être réalisée au moyen d'une turbine 216, et, l'étape d'énergisation de lubrifiant est alors par exemple réalisée au moyen de la pompe centrifuge 205, un arbre de transfert 215 pouvant être monté à entraînement sur la turbine 216, la pompe centrifuge 205 pouvant alimentée en énergie mécanique au moyen de l'arbre de transfert 215. La méthode et les dispositifs selon l'invention ne se limitent pas aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits et diverses modifications et variantes peuvent être envisagées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications annexées.30 REVENDICATIONS1. Circuit de lubrification pour turbomachine d'aéronef, comportant un réservoir (4) et une pompe d'alimentation (6), le circuit comportant en outre : un dispositif de récupération d'énergie (15 ; 102, 115 ; 215, 216) disposé entre la sortie de la pompe d'alimentation et une enceinte moteur (2) en communication fluidique avec la sortie de la pompe d'alimentation (6), un dispositif d'énergisation de lubrifiant (5, 105, 205) disposé entre le réservoir (4) et l'entrée de la pompe d'alimentation (6). 2. Circuit de lubrification selon la revendication précédente, le dispositif d'énergisation de lubrifiant comportant une pompe à jet (105). 3. Circuit de lubrification selon la revendication précédente, le dispositif de récupération d'énergie comportant une canalisation de recirculation de lubrifiant (115) reliée en communication fluidique à une entrée de la pompe à jet (105). 4. Circuit de lubrification selon la revendication précédente, le dispositif de récupération d'énergie comportant un dispositif d'obturation (102) de la canalisation de recirculation (115). 5. Circuit de lubrification selon la revendication 1, le dispositif de récupération d'énergie comportant une turbine (216). 6. Circuit de lubrification selon l'une des revendications 1 ou 5, le dispositif d'énergisation de lubrifiant comportant une pompe centrifuge (205). 7. Circuit de lubrification selon l'une des revendications précédentes, le dispositif d'énergisation de lubrifiant (5, 105, 205) étant disposé au point haut d'un système de canalisation en col de cygne (104). 8. Circuit de lubrification selon l'une des revendications précédentes, un dispositif anti-siphon (4a) étant placé en sortie du réservoir (4). 9. Procédé de lubrification pour turbomachine d'aéronef, comportant : - une étape de récupération d'énergie mécanique en aval d'une pompe d'alimentation (6) en lubrifiant d'un circuit de lubrification (3, 103, 103a, 203) de ladite turbomachine, - une étape d'énergisation de lubrifiant en amont de ladite pompe d'alimentation (6) avec l'énergie récupérée lors de l'étape de récupération d'énergie. 10. Procédé de lubrification selon la revendication 9 dans laquelle : - l'étape de récupération d'énergie mécanique est réalisée au moyen d'une canalisation de recirculation (115) dudit lubrifiant, et, - l'étape d'énergisation de lubrifiant est réalisée au moyen d'une pompe à jet (105) en entrée de laquelle la canalisation de recirculation (115) est connectée. 11. Procédé de lubrification selon la revendication 9 dans laquelle : - l'étape de récupération d'énergie mécanique est réalisée au moyen d'une turbine (216), et, - l'étape d'énergisation de lubrifiant est réalisée au moyen d'une pompe centrifuge (205), un arbre de transfert (215) étant monté à entraînement sur la turbine (216), la pompe centrifuge (205) étant alimentée en énergie mécanique au moyen de l'arbre de transfert (215).