Brevet FR3071549A1 — publié le 20190329

ENCEINTE LUBRIFIEE DE MOTEUR COMPRENANT UN SYSTÈME DE DEPRESSURISATION AMELIORE DESCRIPTION L'invention présente est relative à une enceinte lubrifiée de moteur, notamment d'aéronef, comprenant un système de dépressurisation amélioré. Une telle enceinte contient un palier de support d'un arbre tournant du moteur. L'arbre traverse la paroi de l'enceinte par deux ouvertures en général, munies chacune d'un joint d'étanchéité, pour se prolonger hors de l'enceinte. Une lubrification du palier est assurée par un débit d'huile entretenu pendant la rotation du moteur et qu'il convient de confiner dans l'enceinte pour éviter des fuites génératrices de pollution ou de risques d'accident à travers les joints d'étanchéité, les huiles étant souvent des huiles synthétiques exposées à s'enflammer à température élevée. Une fonction de dépressurisation de l'enceinte est ajoutée pour cela, en entretenant une circulation d'air extérieur à l'enceinte, comprimé au préalable par un élément du moteur comme le compresseur basse pression, vers l'intérieur de l'enceinte à travers les joints d'étanchéité, qui refoule donc dans l'enceinte de l'huile qui pourrait autrement en fuir. On distingue les enceintes dites ventilées (« vented »), qui comprennent, outre un conduit d'alimentation en huile et un conduit de récupération d'huile muni d'une pompe de récupération, un dispositif pour créer la dépressurisation, et qui consiste normalement en un conduit menant à un déshuileur puis à la tuyère ou à un flux secondaire, à une pression inférieure à celle de l'intérieur de l'enceinte ; et les enceintes non ventilées (« not vented »), qui sont dépourvues d'un tel dispositif, où c'est la pompe de récupération d'huile qui assure elle-même l'évacuation de l'air, et sur lesquelles l'invention porte plus précisément. Les joints d'étanchéité sont classiquement des joints d'étanchéité à labyrinthe, composés de reliefs successifs imbriqués et disposés dans l'ouverture en laissant subsister un jeu avec l'élément en regard, et des joints à garniture d'étanchéité déformable parmi lesquels on peut citer les joints radiaux segmentés (JRS), dont un 2 exemple est décrit dans le document EP 0 387 122 Al. Les joints à labyrinthe ont l'avantage d'éviter les contacts et les frottements permanents entre la paroi de l'enceinte et l'élément mobile par rapport à elle, au prix d'un débit de fuite irréductible qui est relativement important. Les joints à garniture d'étanchéité déformable permettent des 5 débits de fuite beaucoup moins importants et des étanchéités de beaucoup améliorées quand ils sont en bon état, mais qui peuvent s'élever considérablement, jusqu'à cent fois par exemple, en cas d'avarie, telle la perte d'un des segments de JRS. Dans les enceintes ventilées, la dépression de l'enceinte et la circulation d'air sont garanties par le conduit d'aspiration, qui est un dispositif efficace et 10 spécialement conçu pour les produire, mais la situation est plus délicate pour les enceintes non ventilées, où on se fie à la pompe de récupération d'huile pour aspirer un débit gazeux en même temps qu'un débit d'huile. Or cette pompe est volumétrique et produit donc une dépression qui dépend fortement des sections de passage présentes aux joints d'étanchéité : on doit donc se prémunir aussi bien de situations où le débit de 15 la pompe serait insuffisant, en présence de sections de passage importantes aux joints d'étanchéité, pour créer une dépressurisation suffisante, que de situations inverses où des sections de passage très réduites aux joints ne permettraient pas un débit de circulation suffisant à travers eux, avec la conséquence que la dépressurisation de l'enceinte serait poussée jusqu'à une cavitation de l'huile, une rupture de lubrification du 20 palier et des dégâts à la pompe. Alors que les joints à garniture d'étanchéité déformable conviendraient particulièrement aux enceintes non ventilées pour lesquelles le débit d'évacuation de gaz est réduit, un bon dimensionnement du système est rendu difficile à cause de la variation de perméabilité que ces joints sont susceptibles de subir. En pratique, les enceintes non 25 ventilées comprennent une seule ouverture pourvue d'un joint à garniture d'étanchéité déformable, et la pompe de récupération d'huile est conçue pour assurer un débit volumique de gaz et d'huile compris entre 10 et 15 fois le débit volumique d'huile d'alimentation. Si maintenant l'enceinte doit comprendre une seconde ouverture et que celle-ci est munie d'un autre joint d'étanchéité à garniture déformable, les systèmes connus ne permettent pas de garantir une dépressurisation mesurée, conforme aux 3 exigences précédentes, puisque le risque de voir apparaître une des deux situations de sections de passage soit excessives soit insuffisantes ne peut plus être empêché quel que soit le débit de la pompe. Les enceintes non ventilées à deux ouvertures comprennent donc en pratique un joint à garniture d'étanchéité déformable et un joint à labyrinthe 5 plus fortement perméable mais au débit de fuite plus régulier, en se résignant toutefois à un débit important de la pompe de récupération. Un but de l'invention est de perfectionner les enceintes non ventilées, de manière à faire moins dépendre la valeur de la dépressurisation obtenue de l'état de joints à garniture déformable et à faire que la pompe de récupération d'huile puisse 10 aspirer un débit plus réduit que dans les conceptions habituelles où un joint à labyrinthe plus perméable doit être employé. Un autre but de l'invention est d'améliorer le confinement des enceintes non ventilées comprenant deux ouvertures, en pourvoyant les deux ouvertures de joints d'étanchéité à garniture déformable, tout en maintenant la dépressurisation à 15 des valeurs convenables quels que soient les états des joints. Un aspect général de l'invention est une enceinte lubrifiée de moteur, comprenant une paroi percée d'au moins une ouverture entre ladite paroi et un élément du moteur situé devant l'ouverture, un conduit d'alimentation d'un débit d'huile débouchant dans l'enceinte et un conduit d'évacuation d'un débit d'huile et de gaz de 20 l'enceinte débouchant aussi dans l'enceinte et pourvu d'une pompe volumétrique, le conduit d'alimentation et le conduit d'évacuation appartenant à un circuit de lubrification du moteur, caractérisée en ce que l'ouverture est pourvue d'un joint d'étanchéité à garniture d'étanchéité déformable et la paroi comprend un raccordement d'amenée d'un gaz extérieur à l'enceinte, pourvu d'une vanne s'ouvrant à une dépression déterminée de 25 l'enceinte par rapport au gaz extérieur. Quand la dépressurisation fournie par la pompe menace de devenir excessive, la vanne s'ouvre et autorise une entrée de gaz à l'intérieur de l'enceinte, qui maintient la dépressurisation à des niveaux insuffisants pour produire une cavitation de l'huile. Il devient donc possible d'améliorer l'étanchéité de l'enceinte en employant des 30 joints plus efficaces que les labyrinthes classiques, et d'utiliser une pompe dont le débit 4 est réduit, pouvant être, en volume, cinq fois supérieur au débit d'alimentation d'huile, voire inférieur à cette valeur (trois ou quatre fois supérieur), au lieu de dix à quinze fois dans les conceptions classiques, ainsi qu'on l'a mentionné. Ainsi qu'on l'a signalé, l'invention est particulièrement adaptée à des 5 enceintes comprenant deux ouvertures étanchéifiées, puisque la seconde peut aussi être munie d'un joint d'étanchéité à garniture déformable, contrairement encore aux conceptions classiques ; elle s'applique aussi à des enceintes à ouverture étanchéifiée unique, où la seule ouverture est étanchéifiée par un joint d'étanchéité déformable. Les joints d'étanchéité sont avantageusement des joints radiaux 10 segmentés. La vanne peut prendre toute forme connue, mais un clapet anti-retour, purement passif, est apprécié à cause de sa simplicité et de sa fiabilité. On rappelle qu'une application importante de l'invention est une enceinte contenant un palier de support d'un arbre tournant traversant l'ouverture ou les 15 ouvertures. Les moteurs d'aéronefs usuels comprennent plusieurs enceintes séparées, certaines non ventilées sur lesquelles on peut donc appliquer l'invention, et d'autres ventilées et pourvues d'un conduit d'aspiration d'air huilé, qui les maintient à une certaine dépression constante en les reliant à une région à plus basse pression 20 (tuyère ou flux secondaire) en aval du déshuileur. Il est commode d'exploiter ce conduit d'aspiration en rapport avec l'invention : un autre aspect de l'invention est alors un circuit de lubrification de moteur comprenant une enceinte non ventilée conforme à l'invention et une autre enceinte ventilée et aussi pourvue d'un conduit d'alimentation d'un débit d'huile, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'aspiration d'air huilé originaire de 25 ladite autre enceinte ventilée et se raccordant au raccordement d'amenée par un conduit sur lequel la vanne est installée. Le circuit de lubrification reste alors simple. D'autres aspects de l'invention sont un moteur d'aéronef comprenant une telle enceinte lubrifiée et un aéronef comprenant ce moteur. 5 L'invention sera maintenant décrite dans ses divers aspects, caractéristiques et avantages, au moyen des figures suivantes, qui permettent d'aborder la description détaillée d'une de ses réalisations concrètes, non exclusive d'autres : - la figure 1 représente une enceinte ventilée classique ; 5 - la figure 2, une enceinte non ventilée classique ; - les figures 3 et 4 représentent un exemple de chacune des catégories de joints dont il est question ici ; - la figure 5 représente une enceinte non ventilée conforme à l'invention ; 10 - la figure 6 illustre une autre enceinte à laquelle l'invention peut être appliquée ; - la figure 7 illustre un agencement complet d'un circuit de lubrification et de dépressurisation comprenant des enceintes conformes à l'invention ; - la figure 8 illustre une variante de réalisation de la figure 7 ; 15 - et la figure 9 illustre un moteur d'aéronef conforme à l'invention et comprenant l'agencement de la figure 7. La figure 1 représente une enceinte 13 ventilée, délimitée principalement par une paroi extérieure 1, percée de deux ouvertures 2 et 3 opposées et alignées que traverse un arbre 4 tournant. L'enceinte 13 contient un palier 5 de support 20 de l'arbre 4. Des joints d'étanchéité 6 et 7 sont placés aux ouvertures 2 et 3, entre la paroi extérieure 1 et l'arbre 4. Une conduite d'alimentation 8 d'un débit d'huile débouche dans l'enceinte 13, après avoir traversé la paroi extérieure 1. Une conduite d'évacuation 9 d'huile, pourvue d'une pompe volumétrique 10, récupère l'huile injectée pour la recycler. Il existe encore un conduit de dégazage 11 reliée à un puits de pression du moteur, tel 25 que la tuyère ou un flux secondaire des gaz, pour maintenir à l'intérieur de l'enceinte 13 une pression inférieure à celle de l'extérieur. Des fuites d'air vers l'enceinte 13 sont ainsi entretenues à travers les joints 6 et 7, ce qui empêche donc toute fuite d'huile en sens opposé hors de l'enceinte 13. Le conduit de dégazage 11 est muni d'un déshuileur 12 sur laquelle les gouttelettes d'huile aspirées se déposent, de sorte que l'air aspiré devient 6 sec. L'huile récupérée au sein du déshuileur 12 est recyclée dans le circuit d'huile du moteur pour diminuer au minimum la consommation d'huile du moteur. La figure 2 montre que la disposition générale d'une enceinte 14 non ventilée est semblable, si ce n'est que le conduit de dégazage 11 et le déshuileur 12 sont 5 absents. L'agencement est donc plus simple, au prix de complications de conception de la pompe volumétrique 10, qui ont été expliquées (la pompe volumétrique 10 est notamment surdimensionnée) et qui font qu'un des joints 6 et 7 doit être en pratique un joint à labyrinthe, dont la perméabilité est peu variable, mais malheureusement assez grande. 10 Les figures 3 et 4 illustrent les deux catégories de joints couramment rencontrées dans les enceintes 13 et 14 de moteurs d'aéronef. Les joints d'étanchéité à labyrinthe (figure 3) sont conçus pour éviter en principe tout frottement et sont fondés sur l'exploitation d'un trajet resserré et sinueux du gaz les traversant afin de limiter le débit de fuite. Ils comprennent typiquement des léchettes 22, qui sont des crêtes 15 annulaires successives disposées sur une des pièces en regard dans l'ouverture 2 ou 3, et une garniture annulaire rigide d'abradable 23 disposée sur l'autre des pièces et proche des sommets des léchettes 22. L'abradable 23 est, comme il est connu, formé d'un réseau de tôles assemblées en nid d'abeille, ou de résines polymères usinables facilement. Les léchettes 22 sont aptes à usiner des sillons dans l'abradable 23 quand des déformations 20 thermiques les font entrer en contact avec lui. Les joints à labyrinthe sont le siège d'un saut de pression devant chacune des léchettes 22. Le jeu permanent par le trajet de fuite 24 attribue une perméabilité assez grande à ces joints. Un joint à la garniture d'étanchéité déformable typique est représenté à la figure 4 ; il consiste en un joint radial segmenté qui comprend une bague 25 disposée 25 dans un logement de l'ouverture 2 ou 3 et composée de segments 26 se succédant sur sa circonférence et qu'un anneau extérieur 27 élastique enserre contre l'arbre 4. De tels joints sont préférés puisque leur perméabilité est plus faible, mais ils sont sujets à des avaries (la destruction d'un segment 26 par exemple) qui peuvent accroître énormément, de façon inopinée, cette perméabilité. 7 On aborde la figure 5. L'enceinte 15 conforme à l'invention se distingue de l'enceinte 14 de la figure 2 par l'ajout d'un raccord d'amenée 16, à travers la paroi extérieure 1, sur lequel un conduit 30 portant un clapet 17 anti-retour est placé. Le conduit 30 peut mener à un conduit de dégazage ou à une enceinte ventilée, car il est 5 souhaitable que le conduit 30 ne se raccorde pas directement au déshuileur 12 et que l'enceinte 15 non ventilée ne se retrouve pas directement connectée à l'air libre ou au flux secondaire. Le clapet 17 est taré de manière à s'ouvrir seulement lorsque la pression à l'intérieur de l'enceinte 15 devient inférieure à la pression de l'autre côté du clapet 17 d'une valeur de seuil déterminée et éventuellement nulle. Ainsi, on évite les dépressions 10 excessives à l'intérieur de l'enceinte 15 que pourrait provoquer la pompe volumétrique 10. La figure 6 illustre une autre enceinte 15' conforme à l'invention, et qui se distingue de la précédente en ce qu'elle comporte une ouverture étanchéifiée unique (l'ouverture 2), l'ouverture 3 étant absente et la paroi extérieure 1 étant maintenant 15 continue à son endroit, l'arbre 4 finissant par une extrémité, soutenue par le palier 5, à l'intérieur de l'enceinte 15'. Tout le reste de la présente description peut s'appliquer à cette autre enceinte 15'. On passe à la figure 7, qui illustre un circuit de lubrification complet d'un moteur d'aéronef. 20 Le dispositif comprend une enceinte 15 conforme à l'invention, qui peut être à plusieurs exemplaires, et une enceinte ventilée semblable à l'enceinte 13. Le circuit de lubrification comprend un réservoir d'huile 19, où aboutissent les mélanges d'air et d'huile pompés par les pompes volumétriques 10. Une conduite de désaération 20 relie le réservoir d'huile 19 à un déshuileur 28 afin d'en évacuer l'air en excès, et cet air est 25 asséché dans le déshuileur 28 avant d'être rejeté à l'atmosphère ambiante par un conduit de sortie 21. Le conduit de dégazage 11 de l'enceinte 13 ventilée s'étend ici exclusivement en aval du déshuileur 12 car ce dernier est inclus dans la paroi de l'enceinte ventilée 13. Un conduit d'air huilé 29 se branche au conduit 30 menant au 30 raccordement d'amenée 16 et passant par les clapets 17 anti-retour. Quand la pression 8 d'une des enceintes, non ventilées, 15 descend au-dessous du seuil d'ouverture du clapet 17 associé, une aspiration d'un débit d'air huilé, originaire de l'enceinte ventilée 13, se produit, avec la conséquence que ce débit reste dans le circuit de lubrification pour l'instant, au lieu d'en être sorti et recyclé par le déshuileur 12. Le soutirage, seulement 5 occasionnel, d'un petit débit d'air huilé, originaire de l'enceinte ventilée 13, garantit donc le maintien d'une lubrification correcte avec des perturbations très petites et sans aucune conséquence néfaste, du fonctionnement des dispositifs connus. Les clapets 17 anti-retour peuvent être des clapets simples à papillon, souvent dans un seul sens, et seulement quand une différence de pression suffisante 10 dans le sens correspondant leur est appliquée. Des clapets passifs sont préférés dans cette invention, puisqu'ils sont fiables et peu sujets à l'usure. Les pompes volumétriques 10, de même qu'une pompe 31 assurant la lubrification des enceintes 13 et 15 à partir du réservoir 19, sont mises en mouvement par un arbre 32 commun, qui est généralement un arbre de renvoi relié par un engrenage 15 à un des arbres principaux du moteur. La pompe 31 fournit à chacune des enceintes 13 et 15 un débit d'huile déterminé par la section d'un gicleur 33 disposé au bout d'un conduit respectif 34 d'alimentation de l'enceinte respective et aussi par la vitesse de rotation de l'arbre 32. Le débit des pompes volumétriques 10 d'évacuation des enceintes 13 et 15 est aussi proportionnel à cette vitesse de rotation. Comme l'invention permet de réduire 20 fortement le débit d'évacuation des enceintes 15 non ventilées qui en sont équipées, typiquement de trois à quatre fois le débit d'huile, au lieu de 10 à 15 fois dans les conceptions habituelles, on comprend qu'il devient possible d'utiliser des pompes volumétriques 10 de plus petite capacité et de plus petit volume pour les enceintes 15 concernées, avec donc une réduction d'encombrement de l'agencement des pompes 10 25 et 31. La figure 8 illustre un autre mode de réalisation qui diffère du précédent en ce que le déshuileur 12 est omis. Le conduit d'air huilé 29 comporte alors une branche 45 menant au déshuileur 28. La branche 45 et le déshuileur 28 correspondent donc au conduit de dégazage 11 et au déshuileur 12 de la figure 1. Mais ici encore le conduit d'air 30 huilé 29 mène aussi au conduit ou aux conduits 30 munis des clapets anti-retour 17. 9 On passe maintenant aux commentaires de la figure 9. Elle représente un moteur d'aéronef typique dont on donnera seulement une brève description. Ce moteur comprend un corps à haute pression 35, comprenant 5 notamment un rotor muni d'un arbre haute pression 36 tournant, et un corps basse pression 37, comprenant un rotor muni d'un arbre basse pression 38 tournant et concentrique à l'arbre précédent. Préférentiellement l'arbre haute pression 36 ou alternativement l'arbre basse pression 38 peuvent être ledit arbre principal entrainant l'arbre 32. Le moteur est ici à double flux et comprend, à l'avant du corps basse pression 10 37, une soufflante 39 qui est aussi à l'entrée d'une veine 40 de flux secondaire entourant la veine principale d'écoulement des gaz. Les arbres 36 et 38, ainsi que l'arbre de soufflante 41, sont soutenus par des roulements, ici au nombre de sept : on trouve d'avant en arrière un roulement de soufflante S#1, un roulement de soufflante S#2, un roulement d'arbre basse pression BP#1, un roulement d'arbre haute pression HB#1, un 15 roulement d'arbre haute pression HP#2, et deux roulements d'arbre basse pression BP#2 et BP#3. Ces roulements sont logés dans des enceintes lubrifiées, qui peuvent être au nombre de cinq par exemple, l'enceinte A entourant les trois premiers roulements S#1, S#2 et BP#1 et pouvant être une enceinte 13 ventilée, l'enceinte B entourant le roulement HP#1 et pouvant être une enceinte ventilée ou une enceinte non ventilée, et 20 chacune des dernières enceintes C, D et E entourant un seul des roulements restants, respectivement HP#2, BP#2 et BP#3 ; ces trois dernières enceintes sont des enceintes non ventilées 15 ; dans d'autres conceptions, les enceintes D et E pourraient facilement être combinées en une seule. L'enceinte A est donc une enceinte ventilée 13 conforme à ce qui 25 précède et pourvue d'un déshuileur 12 composé d'un cercle de tubes radiaux 42 traversant la paroi cylindrique de l'arbre de soufflante 41, qui constitue localement une limite de l'enceinte 1 : l'huile est soumise à centrifugation dans les tubes radiaux 42, refoulée vers l'extérieur et demeure donc dans l'enceinte A, alors que l'air déshuilé peut traverser les tubes radiaux 42 vers l'intérieur et rejoindre un tube d'éventement central 30 43 qui traverse tout le moteur vers l'arrière et le rejette à l'endroit de la tuyère 44. 10 Le conduit d'alimentation 29, qui n'est pas représenté sur cette figure, relie toutefois l'enceinte A, en traversant sa paroi, à chacune des enceintes C, REVENDICATIONS1) Enceinte (15) lubrifiée de moteur, comprenant une paroi (1) percée d'au moins une ouverture (2, 3) entre ladite paroi et un élément (4) du moteur situé devant l'ouverture, un conduit d'alimentation (8) d'un débit d'huile débouchant dans l'enceinte (15) et un conduit d'évacuation (9) d'un débit d'huile et de gaz de l'enceinte débouchant aussi dans l'enceinte et pourvu d'une pompe volumétrique (10), le conduit d'alimentation et le conduit d'évacuation appartenant à un circuit de lubrification du moteur, caractérisée en ce que l'ouverture est pourvue d'un joint d'étanchéité (6, 7) à garniture d'étanchéité déformable et la paroi (1) comprend un raccordement d'amenée (16) d'entrée d'un gaz extérieur à l'enceinte, pourvu d'une vanne (17) s'ouvrant à une dépression déterminée de l'enceinte par rapport au gaz extérieur. 2) Enceinte lubrifiée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux desdites ouvertures (2, 3), dont chacune est munie d'un dit joint d'étanchéité (6, 7) à garniture d'étanchéité. 3) Enceinte lubrifiée selon la revendication 2, caractérisée en ce que le joint d'étanchéité de chacune des ouvertures est un joint radial segmenté. 4) Enceinte lubrifiée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la vanne (17) est un clapet anti-retour passif. 5) Enceinte lubrifiée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'élément de moteur est un arbre (4) tournant traversant l'au moins une ouverture, et l'enceinte contient un palier (5) du support de l'arbre. 6) Enceinte lubrifiée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le débit de la pompe (10) est, en volume, au plus cinq fois supérieur au débit d'huile. 7) Circuit de lubrification de moteur, comprenant au moins une enceinte (15) lubrifiée selon l'une quelconque des revendications précédentes et une autre enceinte (13) lubrifiée et aussi pourvue d'un conduit d'alimentation d'un débit d'huile, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'aspiration d'air huilé (29) originaire de 12 ladite autre enceinte (13) et se raccordant au raccordement d'amenée (16) par un conduit (30) sur lequel la vanne (17) est installée. 8) Circuit de lubrification de moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite autre enceinte (13) comprend aussi un conduit d'évacuation (9) d'un 5 débit d'huile et de gaz de l'enceinte débouchant aussi dans l'enceinte et pourvu d'une pompe volumétrique (10), et en ce que la pompe volumétrique (10) de chacune des enceintes (13, 15) et une pompe (31) assurant l'alimentation de chacune des enceintes en huile sont entraînées par un arbre (32) commun. 9) Moteur d'aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de 10 lubrification selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8. 10) Aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur selon la revendication 9.