Brevet FR3086974A1 — publié le 20200410

BOITIER D'ENGRENAGES DE TURBOMACHINE DOMAINE [1] La présente invention concerne un boîtier d'engrenages de turbomachine d'aéronef. ETAT DE L'ART [2] L'état de l'art comprend notamment les documents W02015177487 et FR2941744. [003] Un boîtier d'engrenages de turbomachine d'aéronef, en particulier pour un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion ou d'hélicoptère, peut consister en une boîtier d'accessoires (aussi appelée AGB, acronyme de l'anglais Accessory Gear Box) qui sert à entraîner des équipements de la turbomachine, tels que des pompes, des générateurs d'électricité, etc. Le boîtier d'accessoires transmet une puissance mécanique originaire de la turbomachine aux équipements par l'intermédiaire d'une chaîne cinématique composée d'éléments tournants tels que des pignons ou des roulements. Un boîtier d'engrenage de turbomachine d'aéronef peut également consister en un boîtier de transfert (aussi appelée TGB, acronyme de l'anglais Transfer Gear Box), par exemple pour relier cinématiquement un boîtier d'accessoires à un arbre de turbine de la turbomachine en utilisant deux arbres de transfert formant éventuellement un angle et reliés entre eux par le boîtier de transfert. [4] Un tel boîtier d'engrenages, en particulier un boîtier d'accessoires ou un boîtier de transfert, comprend un carter définissant une enceinte de logement de dits éléments tournants, lesquels sont lubrifiés par un liquide de lubrification contenu dans le carter [5] Le liquide de lubrification, typiquement de l'huile (cas retenu ci-après par commodité), peut en outre servir à refroidir le carter. 2 [006] Dans le domaine des turbomachines d'aéronef, on connaît des boîtiers d'engrenages à carter humide. Mais ils présentent l'inconvénient de générer un brassage d'huile dû à la rotation des éléments tournants (pignons notamment) dans d'huile contenue dans le fond du réservoir. 5 [007] Ce brassage crée des pertes de puissance de l'ordre de quelques dizaines de kW, et des échauffements de l'huile de plusieurs dizaines de degrés, qu'il est nécessaire de refroidir, avec un impact sur la taille des échangeurs de chaleur associés. [8] Une alternative - connue - serait de recourir à un réservoir séparé 10 pour l'huile. Mais ceci implique un encombrement, une masse, un coût et une complexité accrus. [9] La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes précités. 15 EXPOSE DE L'INVENTION [10] L'invention propose à cette fin un boîtier d'engrenages de turbomachine d'aéronef comme précité dans lequel : 20 - le carter (précité) contient une pompe, et - une enceinte, depuis laquelle des gicleurs distribuent du liquide de lubrification apporté dans l'enceinte par la pompe, est située vers le haut du carter. [11] Ainsi on atteint les avantages d'un carter « sec » tout en gardant la 25 simplicité d'un carter « humide ». On peut ne disposer que d'une pompe qui fait office d'une part de pompe de pression, pour alimenter en huile les gicleurs, et d'autre part de pompe de récupération de l'huile en fond de carter pour la renvoyer dans ladite enceinte qui forme donc réservoir. [12] L'intégration du support d'équipements dans le moteur est simplifiée 30 comparativement à une solution à carter humide par un encombrement plus faible. 3 [13] On peut en outre obtenir un circuit d'huile simple, limitant les canalisations dans les carters. On a alors la possibilité de remplacer une fonderie par un carter usiné, avantageusement dans la masse [14] En prévoyant que, dans le boîtier d'engrenages : 5 - l'enceinte soit vide quand la pompe est à l'arrêt, et/ou - que, quand la pompe fonctionne, le liquide de lubrification atteint, dans le carter, un niveau inférieur à une extrémité inférieure des éléments tournants, on s'exonérera du risque de barbotage qui oblige sinon à conserver un espace important de plusieurs dizaines de millimètres entre la partie la plus 10 basse des éléments tournants et le niveau de l'huile, ce qui a un impact fort sur l'encombrement. [015] En termes de fonctionnement, deux cas sont possibles - celui dans lequel l'enceinte est ouverte à la pression dans le carter autour d'elle, de sorte que, quand la pompe fonctionne, les gicleurs distribuent par 15 gravité du liquide de lubrification, lequel redescend par gravité au fond du carter ; l'enceinte est non étanche, - et celui dans lequel l'enceinte est fermée et pressurisée par la pompe, quand la pompe fonctionne, de sorte qu'alors les gicleurs distribuent sous pression du liquide de lubrification. 20 [016] Dans le deuxième cas, un clapet de pressurisation pourra être interposé entre la pompe et les gicleurs. [17] Les différents gicleurs, voire un conduit adjoint de mise à l'air (pression atmosphérique) de l'enceinte, seront alors alimentés par une pression calibrée par le clapet de pressurisation dont il faudra, comme du 25 débit de fuite de ce clapet, tenir compte pour définir la pompe adaptée. [18] A ce sujet, il est conseillé: - que la pompe (unique) soit une pompe volumétrique, - voire qu'un rapport entre deux et trois existe entre le débit volumétrique de la pompe, quand elle fonctionne, et le débit nécessaire pour alimenter les 30 gicleurs. 4 [19] II suffira de disposer d'une pompe de type pompe à palettes, à G-rotor, à engrenages, ...etc, dont le débit sera ainsi supérieur au débit des différents gicleurs, y compris celui du conduit adjoint de mise à l'air, avec un encombrement limité et un système de canalisation simple, peu pénalisant 5 en pertes de charge. [20] Avantageusement, quand la pompe est à l'arrêt, la pompe pourra être immergée dans le liquide de lubrification. [21] Ainsi, quand les éléments tournants dans le carter seront en fonctionnement, ils seront lubrifiés par le haut, via la pompe et les gicleurs, 10 sans barboter dans l'huile en fond de carter ; par contre à l'arrêt, quand la pompe sera aussi arrêtée, l'huile sera de nouveau présente en fond de carter. [22] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante 15 faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un exemple d'une boîte d'accessoires ou boîtier d'engrenages d'une turbomachine d'aéronef; 20 la figure 2 est une vue de face, selon la flèche II de la figure 1, montrant aussi l'intérieur d'un tel boîtier d'engrenages selon une solution de l'art antérieur ; - la figure 3 est la même vue de face, selon la même flèche II de la figure 1 ; mais d'un dit boîtier d'engrenages selon une solution de l'invention ; 25 - et les figures 4 et 5 sont des vues identiques à la figure 3 et schématisent des situations conformes à l'invention respectivement pompe à l'arrêt en en fonctionnement. 5 DESCRIPTION DETAILLEE [023] Si le boîtier d'engrenages 10 de la figure 1 illustre donc l'art antérieur, celui de l'invention peut présenter, pour ce qui y représenté, les mêmes caractéristiques. 5 [024] Ce boîtier d'engrenages 10, ou boîte d'accessoires, pour l'entraînement d'équipements 12 d'une turbomachine d'aéronef telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'aéronef, est destiné à prélever une puissance mécanique originaire de la turbomachine et à la transmettre aux équipements qui sont des pompes, des générateurs d'électricité, etc. La 10 transmission s'effectue par une chaîne cinématique composée d'éléments tournants engrenés les uns avec les autres pour former des lignes d'engrenages ou d'accessoires. [25] Le boîtier d'engrenages 10 comprend un carter 14 définissant une chambre 13 de logement des éléments tournants 15 que l'on voit par 15 transparence et qui comprennent par exemple des pignons et des roulements. La chaîne cinématique qui peut être ainsi créée est reliée à un arbre d'entraînement 16 tel un arbre radial de la turbomachine ou un arbre intermédiaire, la chaîne étant également reliée à des arbres 18 de prise de mouvement d'équipements reliés aux engrenages contenus dans le boîtier 20 d'engrenages 10. Le boîtier d'engrenages 10 est fixé à la turbomachine et les équipements sont en général eux-mêmes fixés au boîtier d'engrenages 10. [26] Outre ce boîtier d'engrenages 10, la turbomachine qui en est équipée comportera typiquement un corps haute pression et un corps basse 25 pression, chaque corps comprenant un compresseur et une turbine. Sur le corps haute pression pourra être monté un mécanisme de prise de mouvement entraînant un arbre relié mécaniquement au boîtier d'engrenages 10 que l'on pourrait désigner par son acronyme anglais AGB pour "Accessory Gear Box". 6 [27] Dans une situation typique de l'art antérieur, comme schématisé figure 2, les éléments tournants 15 auraient été lubrifiés par un liquide 17 de lubrification (tel de l'huile comme ci-après) contenu naturellement en fond 19 de carter, un circuit 21 remontant l'huile depuis ce fond vers le haut du carter, 5 via une pompe 23 immergée au fond du carter, jusqu'à des gicleurs, tels 25a,25b. [28] Branchés sur le circuit 21 et situés au-dessus des éléments tournants 15, les gicleurs 25a,25b dirigent l'huile vers ces éléments tournants pour les lubrifier. 10 [029] Une telle solution « à carter humide » présente, comme déjà mentionné, l'inconvénient de générer un brassage d'huile dû à la rotation des pignons dans l'huile 17 de fond 19 de réservoir. Ceci crée des pertes de puissance et des échauffements d'huile de plusieurs dizaines de degrés, qu'il est nécessaire de refroidir. Certains au moins des éléments tournants 15 15 baignent dans l'huile (niveau 171) tant lorsque la pompe 23 fonctionne que quand elle est à l'arrêt. En outre, dans des applications telles que les AGB de turbomachines d'aéronefs, on recherche la compacité et la réduction de masse, d'où une difficulté à disposer d'un fond de carter suffisamment grand pour éviter le barbotage, comme y invite la solution à carter humide. 20 [030] Afin notamment d'éviter cela, l'invention propose donc une combinaison entre un carter sec et un carter humide, comme schématisé figures 3-5 dans un mode possible de réalisation. [31] En effet, contrairement à la situation de la figure 2 et quand la pompe 230 fonctionne, les éléments tournants 15 ne sont pas lubrifiés par du liquide 25 17 de lubrification contenu naturellement en fond 19 de carter, mais par l'intermédiaire d'une enceinte 27 située vers le haut du carter 10 et depuis laquelle des gicleurs 29a,29b,29c distribuent du liquide de lubrification apporté dans l'enceinte 27 par la pompe 230 contenue donc dans le carter 14. On aura compris que, sur les figures, on doit imaginer le haut du boîtier d'engrenages, donc du carter 14, côté H, le bas étant côté B. [32] On a ainsi une forme de carter sec. 7 [033] De la sorte, on pourra privilégier une situation dans laquelle la chambre 13 est vide quand la pompe 230 fonctionne (cf. figure 5). Par contre, quand la pompe 230 est à l'arrêt, l'huile pourra redescendre dans le fond du carter (cf. figure 4). 5 [034] Baignant dans l'huile remontée dans l'enceinte 27, les gicleurs 29a,29b,29c sont dirigés vers le bas (fond 19), donc vers les éléments tournants 15. [35] Il peut n'y avoir dans le carter 14 qu'une seule telle pompe 230 qui fait office d'une part de pompe de pression pour alimenter en huile les 10 gicleurs 29a,29b,29c et d'autre part de pompe de récupération de l'huile en fond 19 de carter, quand il faut la renvoyer vers l'enceinte 27. [36] II s'agit d'un avantage par rapport aux carters dits « secs » qui possèdent typiquement une enceinte à huile formant un réservoir séparé. Certes, ceci permet d'optimiser l'emplacement du réservoir d'huile en 15 fonction de l'encombrement disponible, mais nécessite alors aussi au moins deux pompes, une pompe dite de « pression » qui aspire l'huile dans le réservoir pour alimenter les gicleurs, et une autre pompe dite de « récupération » pour ramener vers le réservoir l'huile qui se sera écoulée au fond du carter. 20 [037] Par ailleurs, dans le carter 14, le circuit d'huile est des plus simple, puisqu'il peut se limiter à une canalisation 31 reliant la pompe 230 située en bas de carter et l'enceinte 27 située en haut. [038] Ceci rendra possible un remplacement d'un carter issu de fonderie par un carter usiné, qui aura pu être taillé dans la masse. 25 [039] Outre une chambre 13 de carter 14 qui peut donc être vide quand la pompe 230 fonctionne, l'invention permet de réaliser une enceinte 27 haute non étanche et remplie par la pompe 230 dès la mise en rotation de la chaine cinématique qui alimente les gicleurs 29a,29b,29c. [040] L'enceinte 27 peut être fermée, et pressurisée par ladite pompe 230, 30 auquel cas les gicleurs 29a,29b,29c débiteront sous pression, ou être 8 ouverte, et être alors à la pression interne du carter 14, auquel cas les gicleurs 29a,29b,29c débiteront par gravité. [041] A l'arrêt, l'huile pourra redescendre par gravité au fond du carter 14, ce qui permettra de vérifier le niveau d'huile. 5 [042] Il est possible d'ajouter entre la pompe 230 et l'enceinte 27 un ensemble de filtre(s) et d'échangeur(s), comme dans une solution classique. [043] On aura deux types de fonctionnement possibles dans l'enceinte 27 : - soit l'enceinte 27 est ouverte à la pression de chambre 13 du carter ; et alors, quand la pompe 230 fonctionne, les gicleurs 29a,29b,29c distribuent 10 par gravité du liquide de lubrification dans la chambre 13, - soit l'enceinte 27 est fermée et pressurisée par la pompe 230, quand cette pompe fonctionne, de sorte que dans la chambre 13 les gicleurs 29a,29b,29c distribuent alors le liquide de lubrification sous pression. [44] Dans les deux cas le liquide de lubrification redescend par gravité au 15 fond du carter, en ayant au passage lubrifié les éléments tournants 15. [45] Dans le second cas, un clapet 33 de pressurisation est interposé entre la pompe 230 et les gicleurs 29a,29b,29c; voir figure 3. [46] Les figures 4-5 (où lesdits gicleurs ne sont représentés) permettent de bien illustrer le principe de fonctionnement de la solution de l'invention. 20 [047] Ainsi, figure 4, quand la pompe 230 est à l'arrêt, cette pompe est immergée dans le liquide de lubrification 17 : l'huile est en fond 19 de carter et les éléments tournants 15 peuvent y barboter. [48] Figure 5, on constate que, quand la pompe 230 fonctionne, le liquide de lubrification 17 atteint, dans le carter 14, un niveau 170 inférieur à une 25 extrémité inférieure 150 des éléments 15 tournants, qui ne baignent alors pas dans le liquide 17 de lubrification, lequel a donc été pompé vers l'enceinte 27 en haut de carter. [49] Favorablement, la pompe 230 sera une pompe volumétrique (type pompe à palettes, à engrenages, ...etc) dont le débit sera de préférence 30 supérieur: 9 - au débit des différents gicleurs 29a,29b,29c, y compris le gicleur de mise à l'air 29d, alimentés sous la pression de la pompe 230, ce débit étant éventuellement calibré par le clapet 31 de pressurisation, - ainsi qu'au débit de fuite de ce clapet. 5 [050] Il sera également utile prendre en compte les problèmes de cavitation liée à la pression absolue en altitude. A cet égard, un ordre de grandeur serait d'établir un rapport de deux à trois entre le débit volumétrique de la pompe 230 et le débit nécessaire pour alimenter les gicleurs 29a-29d. Une pression relative de l'ordre de 100kPa dans l'enceinte 27 haute serait 10 acceptable et suffisante pour obtenir une lubrification correcte. [051] Même si on l'a appelé gicleur de mise à l'air 29d, ce conduit pourra être un simple tube faisant communiquer l'enceinte 27 avec soit la chambre 13 du carter soit l'environnement extérieur de ce carter, pour une mise à l'air de l'enceinte 27. 15 [052] Aux figures 3 et 4-5, on aura remarqué que l'enceinte 27 pourra être située dans la chambre 13 du carter 14 (figure 3) ou être comme une excroissance de ce carter (figures 4-5), les gicleurs 29a-29c de lubrification traversant alors la paroi 140 du carter interposée entre la chambre 13 et l'enceinte REVENDICATIONS1. Boîtier d'engrenages (10) de turbomachine d'aéronef, comprenant un carter (14) de logement d'éléments tournants lubrifiés par un liquide de lubrification contenu dans le carter, caractérisé en ce que : - le carter (14) contient une pompe (230), et - une enceinte (27) est située vers le haut du carter, depuis laquelle des gicleurs (29a-29c) distribuent du liquide (17) de lubrification apporté dans l'enceinte (27) par la pompe. 2. Boîtier d'engrenages selon la revendication 1, dans lequel l'enceinte (27) est vide quand la pompe (230) est à l'arrêt. 3. Boîtier d'engrenages selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enceinte (27) est ouverte à la pression dans le carter (14) autour d'elle, de sorte que, quand la pompe fonctionne, les gicleurs distribuent par gravité le liquide (17) de lubrification, lequel redescend par gravité au fond du carter. 4. Boîtier d'engrenages selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'enceinte (27) est pressurisée par la pompe (230), quand la pompe fonctionne, de sorte qu'alors les gicleurs distribuent sous pression le liquide (17) de lubrification. 5. Boîtier d'engrenages selon la revendication 4, dans lequel un clapet (33) de pressurisation est interposé entre la pompe (230) et les gicleurs (29a-29c). 6. Boîtier d'engrenages selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, quand la pompe est à l'arrêt, la pompe (230) est immergée dans le liquide (17) de lubrification. 7. Boîtier d'engrenages selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, quand la pompe (230) fonctionne, le liquide (17) de lubrification atteint, dans le carter (14), un niveau inférieur à une extrémité inférieure (150) des éléments tournants, de manière qu'ils ne baignent alors pas dans le liquide de lubrification. 11 8. Boîtier d'engrenages selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le carter (14) est un carter usiné. 9. Boîtier d'engrenages selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pompe (230) est une pompe 5 volumétrique. 10. Boîtier d'engrenages selon la revendication 9, dans lequel un rapport entre deux et trois existe entre le débit volumétrique de la pompe (230) quand elle fonctionne et le débit nécessaire pour alimenter les gicleurs (29a-29c), y compris un possible gicleur (29d) de mise à l'air de l'enceinte 10 (27).