Brevet FR3037099A1 — publié le 20161209

ENSEMBLE DE TURBOMACHINE COMPRENANT UN SYSTEME DE NETTOYAGE D'UN ECOULEMENT DE FLUIDE, NOTAMMENT DE LUBRIFIANT DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est un ensemble de turbomachine, comprenant un système de nettoyage d'un écoulement de fluide, notamment de lubrifiant. Il peut trouver emploi entre une pluralité de corps de la turbomachine, reliés par des paliers tels que des roulements, ou d'autres dispositifs de liaison mécaniques tels que des engrenages, ces corps étant en général mobiles en rotation les uns par rapport aux autres, l'un d'entre eux au moins tournant autour d'un axe de rotation, et les autres corps étant soit des stators soit d'autres corps mobiles en rotation ; un tel agencement peut se rencontrer dans des propulseurs à soufflante non carénée (« open rotor »), où des arbres tournants entraînent respectivement des hélices contrarotatives sous l'impulsion d'un générateur de gaz. Dans les différents agencements dont l'invention peut faire partie, les éléments de liaison mécanique qui relient les corps tournants les uns par rapport aux autres peuvent être lubrifiés par un écoulement permanent en service. On s'efforce souvent de le faire par des gicleurs respectivement associés aux éléments et situés sur un circuit d'écoulement d'huile alimenté par un réservoir, la circulation de l'huile étant forcée par des pompes ou par l'exploitation de forces centrifuges. De tels circuits de lubrification sont bien connus. Il existe toutefois des configurations où certains éléments ne peuvent pas être lubrifiés par un gicleur associé, leur accès étant trop difficile. On peut alors recourir à un écoulement d'huile ayant précédemment lubrifié un autre des éléments, l'huile s'écoulant le long d'un des corps mutuellement tournants sous l'action des forces de rotation ou de la gravité. Mais si l'élément lubrifié en premier s'endommage, des particules solides viennent polluer l'huile et dégradent l'élément en aval, ce qui n'est pas acceptable. Le but de l'invention est, dans une telle situation, 3037099 2 d'arrêter les particules solides polluant l'huile avant qu'elles n'atteignent le deuxième élément lubrifié. Sous une forme générale, l'invention concerne ainsi un ensemble de turbomachine comportant une pluralité de corps dont l'un au moins est mobile autour 5 d'un axe de rotation, un premier élément et un deuxième élément de liaison mécanique reliant des paires desdits corps, et un circuit d'écoulement de fluide passant successivement par le premier élément et le second élément et circulant avec une surface libre sur une portion en pente, sous l'effet de forces d'accélération de masse, d'un au moins desdits corps entre le premier élément et le deuxième élément, caractérisé en ce 10 que ledit corps sur lequel l'écoulement circule est équipé d'un ressaut de retenue temporaire de l'écoulement s'étendant à travers ladite portion. Le ressaut fait obstacle à l'écoulement et exerce une retenue temporaire qui donne l'occasion de piéger les particules solides qui peuvent être présentes et de les retenir définitivement, les empêchant ainsi d'atteindre le deuxième 15 élément. Les moyens utilisés pour exercer cette retenue peuvent être de natures variées, selon celles des particules solides attendues. Ils peuvent consister en un ou plusieurs aimants, généralement adjacents au ressaut, et qui maintiennent sur place les particules une fois qu'elles ont été arrêtées devant lui. Dans d'autres modes de réalisation, ils comprennent une poche dans laquelle les particules sont piégées. Cette poche s'étend au 20 moins partiellement devant le ressaut. Elle peut être formée par une inclinaison du ressaut vers un amont de l'écoulement à partir du corps sur lequel circule l'écoulement et/ou une entretoise s'étendant à partir d'un sommet du ressaut, distant dudit corps, vers l'amont de l'écoulement ; ou par une cavité située dans ledit corps, s'ouvrant en amont du ressaut et s'étendant à l'intérieur dudit corps. Un clapet fermant une ouverture de la 25 poche en amont du ressaut, et qui couvre l'écoulement, peut être ajouté pour renforcer l'enfermement des particules. Ils peuvent encore comprendre des orifices de filtrage, plus fins que les particules, et qui laissent passer le liquide de l'écoulement seul : soit ces orifices traversent le ressaut, soit ils font communiquer la poche avec l'écoulement en aval du ressaut. 3037099 3 Le choix de ces différents moyens dépend de la nature des particules : des aimants seront performants à retenir les particules magnétiques, notamment métalliques ; une poche sera commode pour retenir les paticules plus denses que le fluide de l'écoulement, car elles s'y déposeront facilement par leur inertie et n'en sortiront pas 5 facilement ; et des orifices de filtrage seront utiles pour les grosses particules. Tous ces moyens peuvent être combinés entre eux. L'invention sera maintenant décrite plus complètement dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages en liaison aux figures suivantes, qui en représentent divers modes de réalisation, donnés à titre purement illustratif : 10 -la figure 1 représente succinctement une turbomachine sur laquelle l'invention peut être implantée ; -la figure 2 illustre un écoulement de lubrification que l'invention peut perfectionner ; et -les figures 3, 4, 5 et 6 représentent quatre modes de réalisation de 15 l'invention. On se reporte à la figure 1, qui représente un dispositif à soufflante non carénée à hélices contrarotatives. Le dispositif comprend un générateur de gaz 41 classique en amont, comprenant des compresseurs, une chambre de combustion et des turbines, dont une turbine de puissance 42 en aval ; cette dernière entraîne un 20 propulseur 43 de la façon que voici. Le stator de la machine comprend un fourreau 44 central, s'étendant à peu de distance d'un axe central T de la turbomachine. La partie tournante de la turbine de puissance 42 entraîne un arbre de turbine 45, qui entraine lui-même, par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses à train épicycloïdal 46, un premier arbre d'hélice 47 et un deuxième arbre d'hélice 48, tous deux concentriques au fourreau 25 44 et qui portent respectivement une première hélice 49 et une deuxième hélice 50. Le premier arbre d'hélice 47 est soutenu par le fourreau 44 au moyen d'un premier palier 51 s'étendant entre eux, et le deuxième arbre d'hélice 48 est soutenu par le premier arbre d'hélice 47 au moyen d'un deuxième palier 52 situé entre eux. Le premier palier 51 est un roulement qui peut être lubrifié par un système tel que celui qui est représenté à la figure 2 et comprend, après notamment un réservoir d'huile 53, une pompe 55, un filtre 3037099 4 principal 76, éventuellement un échangeur thermique non représenté, sur un conduit 54 d'huile de lubrification, dont une partie s'étend à l'intérieur du fourreau 44. Le conduit 54 s'infléchit devant le premier palier 51 et forme un gicleur 56 traversant sa bague extérieure. L'huile lubrifie les éléments de roulements du premier palier 51 et les forces 5 centrifuges la projettent contre la face extérieure du premier arbre d'hélice 47. L'huile s'écoule ensuite le long de cette surface vers l'aval, en formant un écoulement 57 à surface libre entre le premier palier 51 et le deuxième palier 52, auquel elle accède par un ensemble d'orifices 58 traversant le premier arbre d'hélice 47 devant le deuxième palier 52 ; l'huile est ensuite récupérée et retourne au circuit vers le réservoir 53. L'écoulement 10 57 entre les paliers 51 et 52 est formé et entretenu par l'interaction d'une pente et de forces d'accélération de la masse du fluide. Dans le cas illustré ici, où l'écoulement progresse sur la face intérieure d'un arbre tournant, ces forces d'accélération de masse sont des forces centrifuges dynamiques, et la pente est produite par une légère conicité du premier arbre d'hélice 47. Ainsi qu'on le verra, les forces d'accélération peuvent être 15 des forces statiques de gravité, exploitées en laissant l'écoulement 57 couler sur une surface immobile et inclinée. Les paliers 51 et 52 sont susceptibles de se dégrader sous l'effet de l'usure ; les particules solides qui s'en détachent seront recueillies par le filtre principal 76, mais celles du premier palier 51 passeront par le deuxième palier 52 et accroîtront son usure, ce qu'on veut éviter. 20 Le fourreau 44, le premier arbre d'hélice 47 et le deuxième arbre d'hélice 48 constituent des corps de la turbomachine au sens de l'invention ; et les paliers 51 et 52, des éléments de liaison mécanique entre ces corps. L'invention se situe, dans ce mode de réalisation, sur le premier arbre d'hélice 47 entre les paliers 51 et 52. 25 On se reporte à la figure 3. Le premier arbre d'hélice 47 est muni d'un ressaut 59, c'est-à-dire d'une partie saillant radialement, ici vers l'intérieur, pour arrêter temporairement l'écoulement 57. Des particules 60 solides, que l'écoulement 57 entraînait avec lui, séjournent devant le ressaut 59, avant que l'huile ne le contourne et ne poursuive son chemin vers le deuxième palier 52, soit en débordant du ressaut 59, soit 30 en le traversant par des orifices 61 plus fins que les particules 60. Ces dernières sont 3037099 5 toutefois séparées de l'écoulement 57 et retenues définitivement devant le ressaut 59, du côté amont, en demeurant devant le ressaut 59 soit dans une poche 62 formée par les caractéristiques géométriques du dispositif, soit par des moyens de retenue actifs, qui peuvent, dans ce mode de réalisation, prendre l'aspect d'aimants 63 noyés dans le 5 ressaut 59 ou le premier arbre d'hélice 47, ou disposés sur eux, les particules 60 provenant de la dégradation des éléments du système et notamment du premier palier 51 étant en général magnétiques. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la poche dans laquelle les particules 60 solides sont retenues peut être constituée par une cavité 64 à l'intérieur du 10 premier arbre d'hélice 47, cette cavité comprenant une première partie 65 s'ouvrant devant le ressaut 59 en amont de l'écoulement 57, et une partie postérieure 66 s'étendant en aval du muret 59 sous l'écoulement 57. Des orifices 67 suffisamment fins permettent comme précédemment la vidange de la cavité 64 par l'huile qui l'occupe, en faisant communiquer la partie postérieure 66 à l'écoulement 57 en aval du ressaut 59. 15 Une partie de l'écoulement 57 traverse donc la cavité 64 en y aspirant les particules 60 retenues jusqu'alors devant le ressaut 59. Un clapet 68 peut être ajouté pour clore au moins partiellement la cavité 64, s'ouvrir sous la pression de l'écoulement 57 dans son sens normal, mais se refermer si un reflux de l'écoulement 57 se produit : les particules entrées dans la cavité 64 y sont définitivement retenues. Le clapet peut être formé par un 20 système mécanique à tôle et ressort ou par une fine lamelle rapportée sur l'épaulement et pilotée par une différence de pression. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le ressaut 59 solide peut être formé d'une crépine de filtration 69, qui joue le même rôle. La poche 70 où les particules 60 sont retenues peut être délimitée par une entretoise 71 circulaire s'étendant vers 25 l'amont de l'écoulement 57 à partir du ressaut 59. L'invention n'est certes pas limitée à ces modes de réalisation, d'autres pouvant être trouvés à partir des précédents, par diverses combinaisons ou modifications mineures. De même, l'invention n'est nullement limitée à l'exemple des arbres concentriques qui a été indiqué jusqu'ici. C'est ainsi qu'elle pourrait être mise en oeuvre, 30 d'après la réalisation de la figure 6, à l'intérieur d'un stator 72, le ressaut, ici 73, étant 3037099 6 placé à la position angulaire de 6 heures, et étant dirigé vers le haut. L'écoulement 57 dépendrait alors des forces de gravité, c'est-à-dire de l'inclinaison du stator 72. Dans ce mode de réalisation comme dans les autres, le ressaut 73 pourrait être incliné pour former une poche 74 retenant les particules solides. Ici encore, des orifices 75, plus fins 5 que les particules 60 solides, pourraient traverser le ressaut 73 afin de favoriser son franchissement par l'écoulement 57. Dans un tel mode de réalisation, des moyens actifs de retenue des particules 60 solides sont moins utiles, puisqu'elles restent maintenues contre le ressaut 73, même quand l'écoulement 57 cesse pendant les périodes d'arrêt de la machine. 10 Le ressaut s'étend à travers toute la largeur de l'écoulement 57, afin de le barrer complétement. Il peut être axisymétrique quand par exemple il est installé sur la face intérieure d'un arbre tournant sur lequel l'écoulement 57 est retenu par les forces centrifuges. Il peut être un muret de faible largeur, ou un gradin d'extension indéfinie vers l'aval de l'écoulement. 15 On voit que l'invention peut être appliquée à des éléments situés tous deux entre deux des corps mutuellement tournants de la machine, ou situés entre des paires différentes des corps mutuellement tournants, comme c'est le cas dans la situation de la figure 1, où trois corps mutuellement tournants (les arbres d'hélice 47 et 48, et le fourreau 44) interviennent. Ces corps peuvent soit être tous tournants, soit comprendre 20 des portions de stator. L'écoulement n'est pas nécessairement un écoulement de lubrifiant, quoique celui-ci soit principalement envisagé par le déposant. Une réfrigération peut aussi être voulue, mais l'écoulement 57 d'huile a les deux rôles à la fois dans nombre d'applications. De même, les équipements reliés successivement par l'écoulement ne 25 sont pas nécessairement des paliers, à roulement ou hydrostatiques par exemple. Ils peuvent être d'autres éléments reliant les corps de la turbomachine, comme des engrenages (ceux du train épicycloïdal 46 par exemple), et d'une façon générale tous les éléments de liaison mécanique nécessitant une lubrification ou une réfrigération active, susceptibles d'être dégradés par de la friction et qu'il faut, pour cette raison, protéger de 30 la pollution de particules solides. 3037099 7 Le dispositif de l'invention, peu encombrant, est destiné avant tout à des portions difficiles d'accès et fastidieuses à démonter de la turbomachine. Il est prévu pour fonctionner sans entretien ou inspection, pendant de très longues durées au moins, contrairement au filtre principal 75 qui peut être remplacé aisément. 5 REVENDICATIONS1) Ensemble de turbomachine, comportant une pluralité de corps (44, 47, 48) dont l'un au moins est mobile autour d'un axe de rotation (T), un premier élément (51) et un deuxième élément (52) de liaison mécanique reliant des paires desdits corps, et un circuit d'écoulement (57) de fluide passant successivement par le premier élément (51) et le second élément (52) et circulant avec une surface libre sur une portion en pente, sous l'effet de forces d'accélération de masse, d'un au moins du premier corps et du deuxième corps entre le premier élément (51) et le deuxième élément (52), caractérisé en ce que ledit corps (47) sur lequel l'écoulement circule est équipé d'un ressaut (59, 69, 73) de retenue temporaire de l'écoulement à travers ladite portion. 2) Ensemble de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément (51) et le deuxième élément (52) comprennent au moins un palier. 3) Ensemble de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier élément (51) et le deuxième élément (52) comprennent au moins un engrenage. 4) Ensemble de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ressaut est équipé d'un moyen de retenue de particules (60) entraînées par l'écoulement (57). 5) Ensemble de turbomachine selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de retenue comprend un aimant (63). 6) Ensemble de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le moyen de retenue comprend une poche s'étendant au moins partiellement devant le ressaut. 7) Ensemble de turbomachine selon la revendication 6, caractérisé en ce que la poche est formée par une inclinaison du ressaut (73) vers un amont de l'écoulement à partir du corps (47) sur lequel l'écoulement circule et/ou une entretoise (71) s'étendant à partir d'un sommet du ressaut, ledit ressaut étant distant dudit corps (47), vers l'amont de l'écoulement. 3037099 9 8) Ensemble de turbomachine selon la revendication 6, caractérisé en ce que la poche est formée par une cavité (64) située dans ledit corps (47), s'ouvrant en amont du ressaut (59) et s'étendant à l'intérieur dudit corps (47). 9) Ensemble de turbomachine selon l'une quelconque des 5 revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un clapet (68) de fermeture d'une ouverture de la poche située en amont du ressaut, le clapet s'ouvrant sous la pression de l'écoulement (57). 10) Ensemble de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des orifices (61, 67, 75), plus fins 10 que les particules (60), qui soit traversent le ressaut, soit font communiquer la poche avec l'écoulement en aval du ressaut.