Brevet FR3085434A1 — publié le 20200306

TURBOMACHINE A RATTRAPAGE D'EFFORT AXIAL ENTRE LE ROTOR ET LE STATOR PAR AMENEE D'HUILE SOUS PRESSION La présente invention est relative aux turbomachines. Elle concerne plus particulièrement le rattrapage d'effort axial entre le rotor et le stator d'une turbomachine. DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR Par rotor, on entend ici et dans tout le présent texte tout sous-ensemble d'éléments solidaires en rotation. Typiquement, un rotor comporte un arbre et tous les éléments qui lui sont liés : disque, aube, tourillon, bague de palier, le cas échéant roue d'engrenage, etc... S'agissant par exemple d'une soufflante, l'effort axial est, dans la majorité des phases de vol, exercé sur la soufflante vers l'avant du moteur, dans le sens amont par rapport au flux d'air dans le corps basse pression. La soufflante se vrille dans l'air et propulse l'avion. Du fait de cet effort axial, la soufflante est maintenue en butée vers l'amont. Les turbomachines sont ainsi habituellement conçues pour que la force axiale s'exerçant sur le rotor s'exerce dans un sens préféré pendant la majorité des phases de fonctionnement. Mais sur certaines phases de fonctionnement (par exemple ralenti vol, phase transitoire, arrêt/démarrage du moteur, autorotation de la soufflante), cette force axiale peut être faible ou s'exercer en sens inverse. Ce phénomène se traduit par plusieurs effets délétères pour la turbomachine, ce qui nécessite de surdimensionner les paliers et/ou de 25 réduire leurs durées de service. Notamment, dans le cas d'un palier à billes, lorsque la force axiale s'annule, les billes ne sont plus en appui axial contre la bague interne et contre la bague externe du palier, et l'absence de force axiale implique un flottement axial du roulement du palier. On entend par « flottement axial » 3o une perte d'appui des billes du palier sur les bagues externe et interne, ou un mouvement d'oscillation des billes du palier par rapport auxdites bagues, 2 ce mouvement ayant une composante parallèle à l'axe de la turbomachine. Les chocs répétés entre les billes et les bagues peuvent accélérer l'usure du palier, notamment dans le cas d'une alternance répétée du sens dans lequel s'exerce la force axiale sur le palier. Ce flottement axial s'opère sur 5 l'amplitude totale du jeu radial de montage. Dans le cas de paliers à rouleaux, il existe de la même façon un jeu radial qui entraîne des défauts de centrage du rotor, susceptibles de générer des vibrations et éventuellement des phénomènes de flottement radial, au détriment de la durée de vie du palier. 10 Par ailleurs, le positionnement axial de l'arbre basse pression ou de l'arbre haute pression, respectivement BP et HP, par rapport au stator, présente une discontinuité importante au moment de l'inversion de force axiale, puisque le roulement passe d'un état axial en butée avant à un état axial en butée arrière. 15 Pour maintenir la force axiale s'exerçant sur le rotor toujours dans le même sens (sens préféré) quelles que soient les phases de vol, il est connu d'appliquer une pression d'air sur des surfaces radiales du rotor, notamment pendant les phases (ralenti vol, phase transitoire, arrêt/démarrage du moteur, autorotation de la soufflante, ...) où il y aurait un risque que la zo force axiale s'inverse. Une telle solution est particulièrement complexe. Elle est en outre fortement consommatrice d'air, ce qui peut s'avérer particulièrement néfaste puisque de l'air qui a préalablement été comprimé, consommant ce faisant de l'énergie, est utilisé pour la pressurisation du rotor et ne participe plus à la combustion, ce qui dégrade le rendement global de la turbomachine. Egalement, sur certains cas très défavorables, la poussée d'air ainsi réalisée peut ne pas être suffisante pour assurer une force axiale dans un seul sens. Il existe donc un besoin pour une solution simple et fiable permettant de maintenir le rotor en butée axiale, quelles que soient les phases de vol. 3 PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION Un but général de l'invention est de pallier ces inconvénients. Notamment, un but est de proposer une solution permettant l'application d'un effort axial adéquat pour maintenir le rotor en butée 5 axiale, sur toute la gamme de fonctionnement moteur, et pour éviter un phénomène de flottement axial des roulements de palier. Un autre but encore de l'invention est de proposer une solution en ce sens sans modification de la ventilation d'ensemble de la turbomachine, et plus généralement sans modification significative de la conception 10 d'ensemble de celle-ci, tout en affectant de manière minime le rendement global de la turbomachine. L'invention vise ainsi selon un premier aspect une turbomachine comportant un stator et un rotor monté sur un arbre, le rotor comportant des aubages dans une veine, la rotation de l'arbre et du rotor par rapport 15 au stator étant assurée par au moins un premier palier à roulement à billes, une bague interne du premier palier étant solidaire de l'arbre et une bague externe du premier palier étant solidaire du stator, ledit premier palier formant une butée axiale liée au stator sur laquelle ledit arbre exerce, sous l'effet de la rotation des aubages, un effort axial dans un sens donné lors 20 des principales phases de fonctionnement de la turbomachine, ladite turbomachine comportant un circuit de lubrification des paliers configuré pour faire circuler une huile de lubrification, et comportant une enceinte contenant le premier palier et au moins un deuxième palier et destinée à contenir une suspension de gouttelettes d'huile de lubrification, 25 et comportant en outre un piston et un système d'amenée d'huile sous pression dans ledit piston, ledit piston étant disposé dans ladite enceinte, ledit piston étant monté entre une zone liée à la bague externe et une zone liée à l'arbre, pour exercer, sous l'effet du système d'amenée d'huile, un effort axial dans le sens donné. 30 Sous l'effet du piston de l'invention, l'arbre de rotor est en permanence maintenu en butée sur le palier, ce qui permet de plaquer les 4 éléments roulants du palier contre les bagues et d'éviter les effets délétères susmentionnés, notamment le phénomène de flottement axial lorsque la force axiale exercée sur le rotor diminue ou s'inverse. Le choix d'un piston et d'un système d'amenée d'huile sous pression 5 dans la turbomachine de l'invention pour exercer l'effort axial sur le rotor est notamment avantageux en ce qu'il est d'impact faible sur l'efficacité opérationnelle de la turbomachine, comparativement à des dispositifs de l'art antérieur qui nécessitent un prélèvement d'air dans les circuits de ventilation interne de la turbomachine. En outre, il est aisé de réguler l'effort io axial exercé par le piston et l'amenée d'huile sous pression, par dimensionnement du piston ou de la pression d'huile. D'autres caractéristiques préférentielles et non limitatives de la turbomachine sont les suivantes, prises seules ou dans l'une quelconque de is leurs combinaisons techniquement possibles : - le palier à roulement à billes comprend une cavité d'amortissement agencée entre une surface externe de la bague externe et un anneau de logement d'un support de palier, la cavité d'amortissement étant reliée à un circuit d'alimentation en 20 huile d'amortissement, propre à créer au niveau de la cavité d'amortissement un film fluide d'amortissement, le système d'amenée d'huile sous pression au niveau du piston étant configuré pour prélever de l'huile sous pression dans ledit circuit d'alimentation. Cette dernière caractéristique est très avantageuse, en ce que le 25 piston utilisé pour générer l'effort axial est connecté au circuit d'alimentation de « squeeze films » qui existe déjà de manière standard dans l'architecture de la turbomachine. Il n'est alors pas nécessaire de modifier l'architecture pour fournir une nouvelle sortie d'huile ; - l'enceinte comporte des moyens de récupération des gouttelettes 30 d'huile dans l'enceinte, lesdits moyens étant configurés pour récupérer l'huile s'échappant du piston, de sorte que ladite huile soit mélangée auxdites gouttelettes et récoltée au niveau d'une réserve d'huile ; 5 - dans ce dernier cas, le circuit d'alimentation en huile d'amortissement et le circuit de lubrification sont l'un et l'autre raccordés à ladite réserve ; - le piston est formé dans le prolongement d'un support de palier qui 5 est solidaire du stator ; - dans ce dernier cas, le piston est formé dans le prolongement d'une pièce de support s'étendant radialement à l'intérieur du support de palier, ladite pièce de support pouvant par exemple comporter plusieurs bras répartis sur la périphérie intérieure du support de palier ; 10 - la zone liée à l'arbre sur lequel le piston exerce un effort est une chemise de forme en U s'étendant radialement autour du piston ; - le deuxième palier présente des éléments de roulement en appui axial, par exemple un roulement à rouleaux cylindriques ou un roulement à rouleaux coniques. 15 Un roulement à rouleaux coniques selon cette dernière caractéristique est avantageux, en ce qu'il est capable de reprendre l'effort axial de la soufflante de la turbomachine. PRÉSENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 20 encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : - la Figure 1 est une représentation schématique d'un assemblage de sous-ensemble rotor basse pression de turbomachine conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; 25 - la Figure 2 est une vue alternative de l'assemblage de la figure 1, sur laquelle on a représenté un circuit d'alimentation en huile à haute pression. DESCRIPTION D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ L'exemple qui suit concerne le cas d'un rotor de compresseur basse 30 pression. 6 L'invention est toutefois d'application plus générale et propose une solution pour l'application d'un effort sur tout « rotor » de turbomachine, c'est-à-dire à tout ensemble de turbomachine constitué d'éléments solidaires d'un même arbre. 5 Exemple dans le cas d'un rotor d'un compresseur BP On a représenté sur la Figure 1 une partie stator 1, un ensemble rotor 2 et un arbre 3. L'arbre 3 porte la structure du rotor 2 et est monté rotatif par rapport 10 au stator 1 grâce à un jeu de paliers qui comporte un palier amont 4 du type à roulement à billes. Le palier 4 constitue ainsi une butée axiale liée au stator sur laquelle ledit arbre 3 exerce, sous l'effet de la rotation des aubages, un effort dans un sens donné lors des principales phases de fonctionnement de la 15 turbomachine. Toutefois, pour les modules avant de turbomachine connus comprenant un tel arbre et un tel palier, la force axiale exercée sur les billes du palier peut s'annuler ou s'inverser au cours de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine, et les billes peuvent ne plus être en butée axiale contre zo les bagues du palier. Les différentes phases de fonctionnement de la turbomachine peuvent notamment être repérées par rapport à une vitesse de rotation seuil prédéterminée. Au-delà dudit seuil, on considère que la turbomachine est en phase de décollage ou de croisière. En-dessous dudit seuil, on considère que la turbomachine est dans une phase de « ralenti 25 vol », ou dans une phase d'approche. Le problème de l'annulation ou de l'inversion de force axiale se pose particulièrement au cours des phases de ralenti vol et d'approche. Un deuxième palier en aval du palier amont 4 a été référencé par 5. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le palier 5 est du type 30 roulement à rouleaux cylindrique. Plus généralement, le palier 5 peut être tout type de palier présentant des éléments de roulement en appui axial, capables de reprendre des efforts axiaux, comme un roulement à rouleaux coniques. Par « roulements en appui axial » on entend que les roulements 7 sont bloqués axialement par les bagues du palier dans au moins une direction. Sur les figures, les bagues externes des paliers 4 et 5 ont été référencées par 4a et 5a, les bagues internes par 4b et 5b. Le rotor 2 est un rotor aubagé qui porte classiquement une pluralité 5 d'aubes 6 situées en regard d'aubes 7 de redresseur fixes par rapport à la partie stator 1. La bague externe 4a du roulement à billes 4 est elle-même fixée à la partie stator 1. Elle est à cet effet reçue dans un anneau de logement 8a d'un support de palier 8. Le support de palier 8 s'étend avec une forme 10 générale en tronc de cône s'évasant de ladite bague externe 4a et dudit anneau de logement 8a jusqu'à une première bride 9 fixe par rapport au carter de la partie stator 1. Une pièce 11 à évidements (pièce en cage d'écureuil) relie par ailleurs la bague externe 4a à une bride annulaire 10 qui s'étend en saillie intérieure à partir du support de palier 8. 15 Une cavité d'amortissement A est définie entre l'anneau de logement 8a et le palier de guidage 4, ladite cavité étant circonférentielle et destinée à être alimentée en fluide d'amortissement, pour former un film fluide d'amortissement (ou « squeeze-film »). Ledit film fluide est emprisonné radialement entre la surface externe de la bague extérieure du palier et la zo surface interne du logement du carter intermédiaire dans lequel ledit film fluide est reçu. Ledit film réalise un amortissement radial au niveau de la bague externe 4a, et permet d'améliorer la réponse dynamique de la turbomachine. Des segments d'étanchéité latéraux sont prévus, de part et d'autre 25 de l'anneau de logement 8a, pour emprisonner le film fluide dans ladite cavité. Un circuit C haute pression alimente en fluide d'amortissement la cavité A. Le fluide d'amortissement qui est utilisé est par exemple l'huile 30 moteur utilisée pour la lubrification des roulements 4 et 5. Ledit fluide se trouve sous forme de gouttelettes dans une enceinte E définie par le support de palier 8 et par une seconde bride 16 sur laquelle est montée la bague externe 5a du palier aval 5. 8 L'enceinte E contient le palier amont 4 et le palier aval 5. En fonctionnement, l'enceinte E est maintenue sous pression au niveau des interfaces entre le carter 1 et le rotor 2, pour que l'huile de lubrification des roulements des paliers ne fuie pas. 5 A titre d'exemples, - la pression dans l'enceinte E d'huile est autour de 1 bar au sol, - la pression du circuit C haute pression varie entre 7 bars à bas régime et 11 bars à haut régime (pression absolue). 10 Maintien du rotor en butée par film d'huile sous pression ménagé entre le stator et le rotor Afin de mettre en butée axiale le rotor 2 dès les bas régimes, et notamment dans des phases de ralenti vol ou d'approche, il est proposé de créer un effort vers l'aval en amenant de l'huile sous pression dans un jeu 15 aménagé à cet effet entre le stator 1 et le rotor 2. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, au moins un support de piston 12 s'étend radialement à partir de la surface intérieure du support de palier 8, jusqu'à proximité de l'arbre 3. Ce support 12 se termine par un piston 13 en retrait vers l'aval par 20 rapport audit support 12. Ce piston 13 est lui-même monté coulissant dans une chemise 14 de section en U qui est elle-même fixe par rapport à l'arbre 3. Le piston 13 appartient au carter 1 et la chemise 14 appartient à l'arbre 3. Le piston 13 et la chemise 14 dans laquelle il coulisse sont par 25 exemple de formes annulaires complémentaires. Dans l'exemple de la figure 1, le support de piston est constitué par plusieurs bras 12 répartis régulièrement tout autour de la périphérie intérieure du support de palier. En variante, il peut être prévu un seul support annulaire présentant 30 une structure ajourée. De manière préférentielle, la chambre définie par la chemise 14 est elle-même alimentée en huile par un système d'amenée d'huile sous pression raccordé au circuit haute pression C. Dans ce mode de réalisation 9 préférentiel, l'huile nécessaire à l'alimentation de la chambre définie par la chemise 14 est donc prélevée directement dans le circuit C d'alimentation de la cavité A d'amortissement du palier 4. En alternative, la chemise 14 pourrait cependant être reliée à un 5 dispositif dédié d'alimentation en huile sous pression. Le circuit haute pression n'est pas directement visible sur la figure 1. On a représenté en Figure 2 une vue alternative de la même turbomachine et le même dispositif que ceux représentés en figure 1, le circuit haute pression C d'alimentation en huile de la cavité d'amortissement A et de la 10 chemise 14 étant visible sur la figure 2. La pression dans le film d'huile créé au niveau de la chemise 14 est contrôlée directement par le jeu résiduel entre les pièces 13 et 14. L'huile du film au niveau de la chemise 14 fuit en outre directement dans l'enceinte E. Elle y est mélangée à l'huile sortant des roulements 4 et 15 5, notamment l'huile de lubrification et de refroidissement des paliers. L'huile de la chemise 14 est récupérée par la pompe prévue à cet effet au niveau de l'enceinte E pour être recyclée dans la réserve d'huile qui sert à l'alimentation à la fois du circuit C haute pression (« squeeze films ») et du circuit basse pression utilisé pour la lubrification des paliers 4 et 5. 20 Par ailleurs, on prévoit avantageusement sur le circuit d'alimentation de la chemise 14 en huile sous pression un clapet de commande 15 qui est commandé par un circuit de contrôle (non représenté) pour fermer ou ouvrir le circuit C en fonction du régime moteur. Ledit circuit de contrôle est avantageusement compris dans un calculateur moteur, tel qu'un EEC 25 « Electronic Engine Controller ». Par exemple, le clapet est ouvert pour mettre la chambre de la chemise 14 sous pression à bas régime, ce qui permet alors de forcer la mise en butée axiale du palier 4 via le piston 13. A haut régime, cette mise en pression peut être coupée, l'effort axial 30 exercé sur le palier 4 par les aubages étant suffisant, en l'absence de contribution du piston, pour garantir que le palier 4 ne subisse pas de flottement axial. 10 Il pourra être envisagé d'ajouter des étanchéités rotor/stator, afin de limiter les fuites au niveau du film d'huile de la chemise 14. Le dispositif formé par le piston 13 et la chemise 14 est avantageux en ce qu'il permet de créer un effort axial vers l'aval au niveau du rotor, sur 5 les phases de fonctionnement qui le nécessitent, sans modifier la ventilation interne de la turbomachine ni sa conception générale. Un avantage additionnel est l'impact très minime du dispositif sur les performances opérationnelles de la turbomachine. En effet, le dispositif ne nécessite pas de piquer de l'air sous pression au niveau du corps haute 10 pression, pour mettre l'arbre en butée axiale. Par ailleurs, dans le cas où le piston est alimenté en huile par un système d'amenée d'huile sous pression raccordé au circuit d'alimentation C, la fonction de pressurisation du piston est mutualisée avec la fonction d'alimentation en huile des « squeeze films », ce qui permet de se passer d'un système d'alimentation dédié au 15 piston. De plus, l'huile en sortie de la chemise 14 peut être récupérée au niveau de l'enceinte E pour réalimenter les « squeeze films » et le piston. L'optimisation du dispositif formé par le piston 13 et la chemise 14 est donc très facile à réaliser, et requiert seulement de dimensionner le piston, la chemise et la pression du film d'huile en fonction de la 20 compensation d'effort axial nécessaire. Notamment, l'effort axial est paramétrable par le dimensionnement de la surface efficace SE pour le film d'huile entre le piston 13 et la chemise 14, cette surface efficace étant repérée en figure 2. 25 En variante, le deuxième palier 5 peut être remplacé par un roulement à rouleaux coniques, capable, à l'inverse d'un roulement à rouleaux cylindriques, de reprendre les efforts axiaux. Un roulement à rouleaux coniques empêche la libération de la soufflante vers l'avant s'il se produit un événement de découplage de ladite soufflante, ce qui permet de se 30 passer de la pièce classiquement utilisée pour assurer la retenue axiale de la soufflante, REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant un stator (1) et un rotor (2) monté sur un arbre (3), le rotor comportant des aubages dans une veine, la rotation 5 de l'arbre (3) et du rotor (2) par rapport au stator (1) étant assurée par au moins un premier palier (4) à roulement à billes, une bague (4b) interne du premier palier (4) étant solidaire de l'arbre (3) et une bague (4a) externe du premier palier (4) étant solidaire du stator (1), ledit premier palier formant une butée axiale liée au stator sur laquelle ledit arbre (3) exerce, 10 sous l'effet de la rotation des aubages, un effort axial dans un sens donné lors des principales phases de fonctionnement de la turbomachine, ladite turbomachine comportant un circuit de lubrification des paliers configuré pour faire circuler une huile de lubrification, et comportant une enceinte (E) contenant le premier palier (4) et au moins un deuxième palier 15 et destinée à contenir une suspension de gouttelettes d'huile de lubrification, la turbomachine étant caractérisée en ce qu'elle comporte un piston et un système d'amenée d'huile sous pression dans ledit piston, ledit piston étant disposé dans ladite enceinte (E), ledit piston étant monté entre une 20 zone liée à la bague externe (4a) et une zone liée à l'arbre (3) pour exercer, sous l'effet du système d'amenée d'huile, un effort axial dans le sens donné. 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle le palier à roulement à billes (4) comprend une cavité d'amortissement (A) agencée entre une surface externe de la bague externe (4a) et un anneau de 25 logement (sa) d'un support de palier (8), la cavité d'amortissement (A) étant reliée à un circuit (C) d'alimentation en huile d'amortissement, propre à créer au niveau de la cavité d'amortissement (A) un film fluide d'amortissement, le système d'amenée d'huile sous pression au niveau du piston étant configuré pour 30 prélever de l'huile sous pression dans ledit circuit d'alimentation (C). 12 3, Turbomachine selon u revendfcations 1 au 2, dans l'enceinte comporte des moyens de récupération des gouttelettes dans 'enceinte,. lesdits mayens étant cnnfïrgurés pour récupérer rer l'huile s'échappant du s piston, de sorte que ladite huile soit mélangée auxdites gouttelettes et récoltée au niveau d'une réserve d'huile, 4 Turbomachine selon les revendications 2 et. 3 binaison, dans laquelle le circuit d'alimen tion pris 10 d'amortissement et le circuit de: bri ion sont l'un en huite ladite réserve. 5. Turbomachine selon l'une des rever le piston (13) est formé dans le: prolongement d est solidaire du stator (I). tiors 1 à 4, dans laquelle suppott de palier (8) qui rad 6. Turbomachine selon la revendication 5, dans laquelle ie piston (13) 1:0 ormé dans lu prolongea pièce de support (12) s'étendant l'intérieur d'uEne paroi du support de palier (8), 7. Turbomachin revend cation 6, dans laquelle la pièce de support (12) comporte plusieurs bras répartis sua la périphérie intérieur du support de palier (8).. 25 8. Turbomachine selon (Tune des :revendications I à 7, dans laquelle iée à l'arbre (3)est ine chenil., (14) de ,arme en ti s'étendant alement autour du piston 9. Turbomachine selon l'une des à 8, dans laquelle le deuxième palier présente des éléments de roulement en appui axial, par exemple un cylindriques (5) un roulement à rouleaux coniqu