Brevet FR3019856A1 — publié le 20151016

POMPE A ENGRENAGES, PREVUE NOTAMMENT COMME POMPE A HAUTE PRESSION A CARBURANT DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est une pompe à engrenages prévue notamment comme pompe à haute pression à carburant. Les moteurs d'avions comprennent une pompe principale à carburant, qui est au coeur de leur système de régulation. Elle permet d'alimenter en carburant la chambre de combustion, en pompant le débit nécessaire depuis les réservoirs. On se sert également du débit qu'elle délivre comme fluide hydraulique pour actionner des vérins, comme ceux servant à ouvrir les portes de décharge du débit d'air de la veine primaire vers la veine secondaire du moteur. Cette pompe comporte deux étages, une pompe à basse pression et une pompe à haute pression, sur laquelle porte plus précisément l'invention. Ces deux étages ont une fonction distincte : le premier délivre une élévation de pression à débit fixe, le second un débit à un écart de pression fixe à ses bornes. Ces deux étages sont le plus souvent intégrés dans un même carter, pour des raisons d'économie d'espace et de simplification du moteur, et constituent un seul équipement, entraîné à la même vitesse par un même arbre. La technologie la plus utilisée actuellement pour l'étage à basse pression est une pompe centrifuge à rouet aubagé. Une telle pompe présente des caractéristiques d'élévation de pression qui dépendent fortement du régime de rotation. La technologie la plus utilisée actuellement pour l'étage à haute pression est une pompe à engrenages à cylindrée fixe. Son débit est donc proportionnel à son régime de rotation, au rendement volumique près. Cette technologie, utilisée pour sa grande fiabilité, implique un excédent de débit pompé à certains régimes de vol, où le régime de rotation est élevé alors qu'il n'y a plus besoin de débit, ni vers l'injection dans la chambre de combustion, ni vers les actionneurs. Ce débit excédentaire est alors retourné vers l'amont de la pompe à haute pression. Les nouveaux développements des moteurs ont souvent pour but de réduire la consommation de carburant, au moyen d'une réduction de toutes les pertes d'énergie. On cherche ainsi à réduire fortement l'écart de pression aux bornes de la pompe à haute pression, voire à l'annuler, en se reposant donc uniquement sur la pompe à basse pression pour assurer l'élévation de pression nécessaire. La pompe à haute pression servirait seulement à assurer le débit souhaité. Les économies attendues consisteraient d'une part en une réduction de puissance nécessaire pour entraîner l'arbre de la pompe, et d'autre part en une simplification de la pompe, comprenant notamment une diminution de la cylindrée, puisque la diminution, ou la suppression de l'élévation de pression dont elle est le siège, diminuera forcément les fuites en son sein. Malgré ces avantages redevables à la diminution ou à la suppression de l'écart de pression, les pompes à engrenages à haute pression devront recevoir quelques modifications de conception, qui sont le sujet de l'invention, puisque cet écart de pression entre l'entrée et la sortie de la pompe est exploité pour assurer son fonctionnement correct, comme on va maintenant le détailler. Selon un premier aspect de l'invention, celle-ci concerne d'une façon générale une pompe à engrenages, comprenant un carter, deux pignons engrenant entre eux dans une chambre du carter, deux premiers paliers, soutenant respectivement des premiers bouts d'axes des pignons, deux seconds paliers, soutenant respectivement des seconds bouts d'axes des pignons, les premiers paliers et les seconds paliers étant logés dans la chambre du carter, les premiers bouts d'axes tourillonnant dans les premiers paliers avec des premiers jeux et les seconds bouts d'axes tourillonnant dans les seconds paliers avec des seconds jeux, les premier et les seconds jeux accueillant des couches de fluide de support hydrodynamique, caractérisée en ce qu'elle comprend des garnitures d'étanchéité entre les seconds paliers et les pignons, isolant des cavités closes englobant les seconds jeux et délimitées par le carter, les seconds paliers, les pignons, les cavités closes recevant un fluide différent d'un fluide pompé par les pignons. Le fluide des cavités closes pourra être rhéo-épaississant. Selon un deuxième aspect de l'invention, des ressorts sont comprimés entre le carter et des faces axiales extérieures, éloignées des pignons, des seconds paliers ; les ressorts s'étendent sur des portions opposées de circonférence desdites faces et exercent donc une résultante d'efforts plus importante pour renforcer ainsi un pincement des pignons entre leurs paliers, essentiel pour réduire les fuites de recirculation au sein de la pompe. Selon un troisième aspect de l'invention, le carter comprend des piquages faisant communiquer les premiers jeux et l'extérieur du carter, afin d'assurer encore la lubrification des premiers paliers malgré l'absence de pression aux bornes de la pompe. L'invention sera maintenant décrite en détail au moyen des figures suivantes : - la figure 1 est une vue générale du dispositif ; - les figures 2, 3, 4, 5 et 6 sont diverses vues de la pompe à haute pression que l'invention perfectionne ; - la figure 7 illustre une première modification caractéristique de l'invention ; - les figures 8A, 8B, 8C, 8D et 9 explicitent l'intérêt de cette modification ; - et les figures 10 et 11 illustrent d'autres modifications caractéristiques de l'invention. On recourt maintenant à la description des premières figures. La figure 1 représente le circuit du carburant du moteur. Un réservoir 1 d'un avion alimente une pompe à basse pression 2, puis, par des filtres et échangeurs 3, une pompe à haute pression 4. Le carburant mis sous pression est fourni à un doseur 5, qui alimente une chambre de combustion 6 des actionneurs et servo-valves 7 ; le débit excédentaire retourne en amont de la pompe à haute pression 4 par une canalisation de retour 8, et, de même, le fluide utilisé dans les actionneurs et servo-valves 7. Les figures 2 et 3 sont maintenant commentées. La figure 2 illustre, en perspective, les portions essentielles de la pompe à haute pression 4 connue et que l'invention doit perfectionner, et la figure 3 est un plan général du dispositif. La pompe à haute pression 4 est une pompe à engrenages, comprenant un pignon menant 11 et un pignon mené 12, engrenant ensemble et refoulant du carburant entre leurs dents pour accomplir le pompage. Chacun des pignons 11 et 12 comprend des queues ou bouts d'axes 13, 14 et 15, 16 à ses deux côtés opposés, dont les premiers, à droite des figures 2 et 3, sont soutenus par des premiers paliers 17, 18, respectifs dits paliers fixes avec des premiers jeux 9, et les seconds, à gauche sur les figures, sont soutenus par des seconds paliers, dits paliers mobiles 19, 20 avec des seconds jeux 10. Ces paliers 17 à 20 sont tous des paliers lisses, mais les paliers fixes 17 et 18 sont retenus avec un jeu plus réduit dans des logements d'un carter 24 que les paliers mobiles 19 et 20, qui peuvent ainsi se déplacer en direction axiale pour pincer les pignons 11 et 12 et réduire des jeux qui pourraient permettre une recirculation du fluide pompé vers les basses pressions. Le pignon menant 11 est entraîné par un arbre à haute pression 21, et un arbre à basse pression 22 entraîne le rouet 23 de la pompe à basse pression 2. Les pompes 2 et 4 sont toutes deux intégrées dans le carter 24 commun. L'arbre à basse pression 22 est soutenu par un palier 25 supplémentaire dans un alésage du carter 24. Des butées 26 limitent les mouvements axiaux du rouet 23, en s'appuyant sur le palier 25. Le mouvement de l'arbre d'entraînement 21 est communiqué à l'arbre à basse pression 22 par l'intermédiaire de cannelures 27 entre le pignon menant 11 et les extrémités des arbres 21 et 22. Un accouplement des pompes 2 et 4 est ainsi obtenu. Le bon fonctionnement de la pompe à haute pression 4 dépend d'une étanchéité suffisante entre ses différents éléments : il faut éviter les fuites du fluide pompé vers l'extérieur du carter 24, de même qu'autour des pignons 11 et 12, en recirculation vers l'entrée de la pompe 4. Le carter 24 est ouvert en 28 autour de l'entrée de l'arbre à haute pression 21. Une garniture d'étanchéité 29 est disposée à cet endroit, entre le carter 24 et le bout d'axe 15 adjacent, pour éliminer les fuites vers l'extérieur. Les fuites pour recirculation autour des pignons 11 et 12 sont minimisées d'abord au moyen de ressorts 30 comprimés entre les paliers mobiles 19 et 20 et une face 31 du carter 24, adjacente à l'entrée de l'arbre à haute pression 21, afin de repousser les paliers mobiles 19 et 20 vers les pignons 11 et 12, et ceux-ci vers les paliers fixes 17 et 18, en diminuant ainsi les jeux 32 autour des pignons 11 et 12 et en produisant le pincement déjà mentionné ; et au moyen de particularités de construction des paliers 17 à 20 qui seront décrites avec les figures 4 et 5. Les frottements entre les paliers 17 à 20 et les pignons 11 et 12 sont évités par des couches fluides, entretenues de façon hydrodynamique. Chacun des paliers 17 à 20 est creusé de plusieurs reliefs, dont un bassin à haute pression 33 et un bassin à basse pression 34 à la périphérie d'une face axiale intérieure 35, de part et d'autre d'un muret de séparation 60. Les bassins 33 et 34 sont en communication respective avec les volumes de fluides adjacents à la sortie et à l'entrée de la pompe 4. Le bassin à haute pression 33 communique à une rainure en arc à haute pression 36, qui débouche sur la face axiale intérieure 35, et, par l'intermédiaire d'un perçage non représenté, à une rainure à haute pression 37, qui débouche dans une face radiale intérieure 38 du palier 17 à 20. Une rainure à basse pression 39 s'étend à la jonction de la face axiale intérieure 35 de la face radiale intérieure 38 et communique au bassin à basse pression 34, par une rainure collectrice 40. Dans les paliers 17 à 20 construits de cette façon, le fonctionnement de la pompe entretient ainsi une circulation de fluide servant à la lubrification dynamique des paliers 17 à 20, depuis le bassin à haute pression 33 jusqu'au bassin à basse pression 34, en créant des couches hydrodynamiques sur la face axiale intérieure 35 et la face radiale intérieure 38. Les bouts d'axes 13 à 17 sont donc soutenus par ces couches hydrodynamiques dans les faces radiales intérieures 38, qui occupent les jeux 9 et 10, et les couches hydrodynamiques sur les faces axiales intérieures 35 se forment contre les flancs des pignons 11 et 12, en les maintenant légèrement séparées des paliers 17 à 20 et empêchant donc la suppression complète des jeux 32, malgré les ressorts 30. Ainsi que le montre la figure 5, les paliers mobiles 19 et 20 ont encore, dans leur construction connue, une particularité de construction à leur face axiale extérieure, éloignée des pignons 11 et 12 et porteuse des ressorts 30: cette face est divisée en deux portions en forme de croissants 42 et 43, qui sont situées dans des plans différents, séparés par un épaulement muni d'un joint d'étanchéité 45 (visible à la figure 6) qui permet d'exposer le croissant 42 à la haute pression du fluide et le croissant 43 à la basse pression (malgré des pertes de charge) : la poussée résultante en direction axiale est déséquilibrée et comporte un mouvement autour d'un axe transversal des paliers mobiles 19 et 20, afin d'équilibrer un mouvement opposé produit par les différences de pression du fluide pompé sur les faces axiales intérieures 35 ; aucun basculement des paliers mobiles 19 et 20 autour de cet axe transversal n'est donc produit, de sorte qu'ils restent bien coaxiaux aux bouts d'axes 15 et 16 qu'ils soutiennent malgré les jeux de montage des paliers mobiles 19 et 20 dans le carter 24. Les paliers mobiles 19 et 20 sont retenus, à l'endroit de l'épaulement séparant les croissants 42 et 43, dans des alésages 44 du carter 24, excentrés par rapport aux axes de rotation des pignons 11 et 12. Les ressorts 30 peuvent être installés seulement où le croissant 42 est le plus large, sur un quart de circonférence environ des paliers mobiles 19 et 20. Enfin, la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la pompe exerce une résultante radiale sur les pignons 11 et 12, qui les approche du carter 24 à un côté d'entrée du fluide. Ainsi, la chambre du carter 24, occupée par les pignons 11 et 12 et les paliers 17 à 20, est le siège de fuites très réduites aussi bien vers l'extérieur qu'autour des différentes surfaces des pignons 11 et 12, et permet un bon fonctionnement de la pompe à haute pression 4. Cela est dû avant tout aux forces de pressions différentielles sur les éléments mobiles à l'intérieur du carter 24 que sont les pignons 11 et 12 et les paliers mobiles 19 et 20, puisque ces forces de pression différentielles entretiennent les couches hydrodynamiques de soutien des bouts d'axes 13 à 16 et le pincement des pignons 11 et 12 entre les paliers 17 à 20 avec des jeux 32 réduits ; les ressorts 30 qui contribuent aussi à ce pincement sont toutefois utiles seulement au démarrage de la pompe 4, quand aucune différence de pression n'y est encore créée, puisque les efforts qu'ils produisent sont ensuite trop faibles pour exercer une influence réelle. On passe maintenant aux modifications réalisées en liaison à l'invention. La pompe à haute pression modifiée sera référencée par 4'. Se reportant à la figure 7, on voit tout d'abord qu'une deuxième garniture d'étanchéité 46 a été ajoutée, entre le palier mobile 19 et le pignon menant 11, de manière à interrompre le jeu axial 32 à cet endroit. La deuxième garniture d'étanchéité 46 consiste en un boîtier contenant un ressort qui repousse une lèvre assurant l'étanchéité : le boîtier est ici dans un logement du palier mobile 19, et la lèvre frotte contre une glace du pignon 11. Sans qu'on représente l'agencement, puisqu'il est semblable, une garniture d'étanchéité semblable est disposée à un endroit correspondant, entre le palier mobile 20 et le pignon mené 12. On voit qu'une cavité close 47 est formée, délimitée par le carter 24, le palier mobile 19 ou 20, la garniture d'étanchéité 46, le pignon 11 ou 12, le bout d'axe 15 ou 16, et un flasque 48, appartenant au carter 24, et servant à insérer la garniture 29. Dans le cas du palier mobile 20 et du pignon mené 12, il en va de même en l'absence de la garniture 29 et du flasque 48, puisque le carter 24 est continu à cet endroit. Voici pourquoi les cavités closes 47 ont été créées. Un jeu radial relativement important existe entre les bouts d'axes 15 et 16 et les paliers mobiles 19 et 20, l'agencement au repos étant représenté à la figure 8A, où les bouts d'axes 15 et 16 sont posés au fond des faces radiales intérieures 38. A mesure que la pompe à haute pression 4' est mise en marche, un coin hydrodynamique 49 se crée sur le bout d'axe 15 ou 16 (figure 8B), le détache complètement de la face radiale intérieure 38 quand la vitesse de rotation est suffisante (figure 8C), et le bout d'axe 15 ou 16 est au centre du palier mobile 19 ou 20 à grande vitesse, le coin hydrodynamique ayant été remplacé par une couche d'épaisseur uniforme (figure 8D). La formation de ce coin 49 puis de cette couche 50 dépend toutefois des propriétés du fluide : il se forme facilement sous pression élevée, mais pas autrement avec les fluides les plus habituels (newtoniens), comme les carburants. Or la différence de pression de la couche 50 n'existerait plus avec l'invention, où le fluide reste à peu près à la même pression entre l'entrée et la sortie de la pompe à haute pression 4'. C'est pourquoi on ne recourt plus au fluide pompé pour la formation et l'entretien de la couche hydrodynamique 50, mais à un fluide particulier, qui est donc injecté au préalable dans les cavités closes 47 : un fluide non newtonien dit rhéo-épaississant, c'est-à-dire dont la viscosité augmente en fonction du taux de cisaillement. Ainsi que l'indique la figure 9, où les taux de cisaillement sont en abscisses et les contraintes de cisaillement sont en ordonnées, les fluides newtoniens suivent une droite 51, dont la pente (la viscosité du fluide) est constante, quel que soit le taux de cisaillement. Les fluides rhéo-épaississants, quant à eux, suivent une courbe 52, dont la pente devient de plus en plus forte, à mesure que le taux de cisaillement augmente et ont donc une viscosité de plus en plus grande, quand ils sont sollicités au cisaillement. De tels fluides comprennent, par exemple, des huiles chargées en impuretés, comme des fibres organiques. Leur viscosité, plus grande quand les taux de cisaillement sont élevés, leur permet de donner facilement la sustentation hydrodynamique. Or ces conditions de taux de cisaillement élevés sont toujours réunies dans la situation présente, puisqu'ils existent dans le coin hydrodynamique 49 au début de la rotation, où le gradient de vitesse est important, à cause de la faible épaisseur de ce coin ; et il est aussi important aux vitesses de rotation élevées, une fois que la couche hydrodynamique 50 a été formée. Il suffit de prévoir ce fluide particulier pour deux des paliers 17 à 20 seulement, particulièrement les paliers mobiles 19 et 20, les paliers fixes 17 et 18 continuant à bénéficier de la sustentation par le fluide pompé. On se reporte à la figure 10, pour développer l'explication d'un autre aspect de l'invention. L'effort de pincement des pignons 11 et 12 en direction axiale risque de devenir insuffisant en l'absence de surpression. On y remédie en disposant des ressorts supplémentaires 30 semblables aux précédents, dans autant de nouveaux alvéoles 41', établis sur un secteur de la circonférence du palier mobile 19 ou 20 opposé en secteur recevant les alvéoles 40. Cela implique de modifier l'alésage excentrique 44 existant, en le remplaçant par un alésage 44' concentrique à l'axe du palier 19 ou 20. Les portions 42' et 43' soumises à la haute pression et à la basse pression de la face axiale extérieure des paliers mobiles 19 et 20 sont dorénavant concentriques. Il est à noter que la suppression des efforts de serrage hydraulique au sein de la pompe 4, consécutive à l'absence de différence de pression entre l'entrée et la sortie de la pompe 4, n'est plus dommageable et que les fuites restent peu importantes, précisément puisque la différence de pression qui les suscite n'existe plus. Il faut toutefois toujours assurer un débit de lubrification des bouts d'axes 13 et 14 dans les paliers fixes 17 et 18 à travers les premiers jeux 9, afin d'y permettre une entrée de fluide formant ensuite la sustentation hydrodynamique, à la place du fluide non newtonien des cavités closes 47, absentes des paliers fixes 17 et 18. Cette fonction est assurée classiquement en formant un débit de recirculation entre une région des faces axiales intérieures 35 exposée à la haute pression et une région des faces axiales extérieures exposée à la basse pression, à travers les jeux 9. On la réalise ici, conformément à un troisième aspect important de l'invention, représenté à la figure 11, en disposant une canalisation 53 entre un piquage 54 du carter 24, du côté des faces axiales extérieures des paliers fixes 17 et 18, éloignées des pignons 11 et 12, et un point du circuit en amont de la pompe à haute pression 4', soumis à une pression moins importante, par exemple en amont d'une pompe de gavage 62 qu'on peut ajouter au dispositif en aval de la pompe à basse pression 2 pour suppléer à l'élévation de pression fournie par la pompe à haute pression 4 connue. Cette pompe de gavage 62 est située par exemple en amont du filtre 55 des filtres et échangeurs 3. Le conduit de fluide passant successivement par la pompe à basse pression 2, la pompe de gavage 62, et la pompe à haute pression 4' porte la référence 63. Conformément à l'invention, la pompe à haute pression 4' délivre seulement un débit, mais sans ajouter sensiblement de pression supplémentaire, ce qu'on assure par l'addition d'un clapet de retour 56, monté sur un conduit 57, reliant l'entrée et la sortie de la pompe à haute pression 4', en empêchant la formation d'une pression entre elles.20 REVENDICATIONS1) Pompe à engrenages (4'), comprenant un carter (24), deux pignons (11, 12) engrenant entre eux dans une chambre du carter, deux premiers paliers (17, 18), soutenant respectivement des premiers bouts d'axes (13, 14) des pignons, deux seconds paliers (19, 20), soutenant respectivement des seconds bouts d'axes (15, 16) des pignons, les premiers paliers et les seconds paliers étant logés dans la chambre du carter, les premiers bouts d'axes tourillonnant dans les premiers paliers (17, 18) avec des premiers jeux (9) et les seconds bouts d'axes tourillonnant dans les seconds paliers (19, 20) avec des seconds jeux (10), les premier et les seconds jeux accueillant des couches de fluide de support hydrodynamique, caractérisée en ce qu'elle comprend des garnitures d'étanchéité (46) entre les seconds paliers (19, 20) et les pignons (11, 12), lesdites garnitures isolant des cavités closes (47) englobant les seconds jeux (10) et délimitées par le carter (24), les seconds paliers (19, 20) et les pignons (11, 12), les cavités closes recevant un fluide différent d'un fluide pompé par les pignons. 2) Pompe à engrenages suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide des cavités closes (47) est rhéo-épaississant. 3) Pompe à engrenages suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le carter comprend des piquages (54) faisant communiquer les premiers jeux (9) et l'extérieur du carter (24). 4) Pompe à engrenages suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, où des ressorts (30) sont comprimés entre le carter (24) et des faces axiales extérieures, éloignées des pignons, des seconds paliers, caractérisée en ce que les ressorts s'étendent sur des secteurs opposés de circonférence desdites faces. 5) Pompe à engrenages suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est accouplée à une autre pompe (2), comprise aussi dans le carter (24), la pompe à engrenage et ladite autre pompe ayant des arbres d'entraînement (21, 22) reliés entre eux. 6) Pompe à engrenages suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est une pompe à haute pression de carburant, ladite autre pompe étant unepompe à basse pression du carburant, ayant une sortie du carburant reliée à une entrée du carburant de la pompe à engrenages par un circuit de fluide. 7) Pompe à engrenages suivant les revendications 3 et 6, caractérisée en ce que les piquages (54) sont reliés au circuit de fluide entre ladite sortie du carburant et ladite entrée du carburant, par une canalisation (53) du fluide. 8) Pompe à engrenages suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif limiteur d'élévation de pression (56, 57) entre l'entrée et la sortie du carburant de la pompe à haute pression (4'). 9) Dispositif de pompage comprenant une pompe à engrenages (4') suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, la pompe à engrenages étant une pompe à haute pression, le dispositif comprenant encore une pompe à basse pression (2), et un conduit (63) de fluide passant par la pompe à basse pression (2) et la pompe à haute pression (4'). 10) Dispositif de pompage suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pompe de gavage (62), par laquelle le conduit (63) passe en aval de la pompe à basse pression (2), le carter (24) comprenant des piquages (54) faisant communiquer les premiers jeux (9) et l'extérieur du carter (24), et les piquages étant reliés à une canalisation (53) aboutissant au conduit (63) en amont de la pompe de gavage (62).20