Brevet FR3087223A1 — publié le 20200417

TURBOMACHINE A TURBINE CONTRAROTATIVE POUR UN AERONEF DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une turbomachine à turbine contrarotative pour un aéronef. ETAT DE L'ART De manière classique, une turbomachine d'aéronef comprend d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Le rotor du compresseur basse pression est entraîné par le rotor de la turbine basse pression, et le rotor du compresseur haute pression est entraîné par le rotor de la turbine haute pression. D'un point de vue performance moteur et consommation, il est avantageux de maximiser la vitesse de rotation de la turbine basse pression car cela permet d'obtenir un meilleur rendement de la turbine. Cependant, augmenter la vitesse de rotation de la turbine implique d'augmenter les efforts centrifuges qu'elle subit, et complique donc fortement sa conception. Une suggestion pour augmenter le rendement d'une turbine sans pour autant augmenter sa vitesse de rotation consiste à utiliser une turbine contrarotative. La turbine basse pression est alors remplacée par une turbine à deux rotors dont un premier rotor est configuré pour tourner dans un premier sens de rotation et est relié à un premier arbre de turbine, et un second rotor est configuré pour tourner dans un sens opposé de rotation et est relié à un second arbre de turbine. Le premier rotor comporte des roues de turbine intercalées entre des roues de turbine du second rotor. Une turbine basse pression peut avoir une vitesse de rotation maximale de 4.000 tours par minute dans une architecture classique où la 2 turbine entraine directement la soufflante à 10.000 tours par minute dans une architecture où la turbine entraine la soufflante par l'intermédiaire d'un réducteur. Son remplacement par une turbine contrarotative dont les rotors tournent respectivement à des vitesses maximales de 3.000 et 7.000 tours 5 par minute permet d'avoir une vitesse relative de 10.000 tours par minute (3000 +7000) tout en ayant une vitesse absolue dans une tranche basse de l'intervalle de vitesse précité. Cette turbine contrarotative comprend ainsi un rotor lent et un rotor rapide, le rotor lent entraînant la soufflante et le rotor rapide engrenant avec 10 un réducteur mécanique à train épicycloïdal. Le réducteur couple le rotor rapide et le rotor lent, permettant ainsi un transfert de puissance du rotor rapide vers le rotor lent. On profite des rendements supérieurs d'une turbine rapide tout en transférant une large part de la puissance de la turbine vers la soufflante sans transiter par un 15 réducteur mais par un arbre. Cette architecture est complexe de par son intégration mécanique : le réducteur mécanique est situé à l'aval de la turbomachine, radialement à l'intérieur d'un carter de stator appelé carter d'échappement. Dans l'état de la technique, ce positionnement du réducteur implique 20 de placer de nombreux paliers et des enceintes de récupération d'huile à l'intérieur du carter d'échappement. Par ailleurs, le réducteur est situé dans une zone relativement chaude, ce qui requiert une protection thermique conséquente. L'espace situé à l'intérieur du carter d'échappement est donc particulièrement contraint, ce qui implique de travailler au maximum 25 l'intégration du réducteur et de réduire son rayon d'implantation. Les solutions d'intégration existantes sont particulièrement complexes car il y a de nombreux paliers inter-arbres particulièrement difficiles à lubrifier. Les charges radiales des turbines sont susceptibles de transiter dans le réducteur, ce qui est extrêmement pénalisant pour le bon 30 comportement du réducteur. Enfin, l'encombrement n'est pas optimisé, 3 notamment avec la présence de paliers sous le planétaire ou solaire du réducteur, qui limite l'intégration radiale du réducteur. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention propose un perfectionnement à la technologie 5 décrite ci-dessus, qui représente une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes évoqués ci-dessus. L'invention propose une turbomachine à turbine contrarotative pour un aéronef, la turbomachine comportant une turbine contrarotative dont un premier 10 rotor est configuré pour tourner dans un premier sens de rotation et est relié à un premier arbre de turbine, et un second rotor comprend est configuré pour tourner dans un sens opposé de rotation et est relié à un second arbre de turbine, le premier rotor comportant des roues de turbine intercalées entre des roues de turbine du second rotor, 15 la turbomachine comprenant en outre un réducteur mécanique à train épicycloÏdal qui comporte un solaire entraîné en rotation par ledit second arbre, une couronne entraînée en rotation par ledit premier arbre, et un porte-satellites fixé à un carter de stator de la turbomachine situé en aval de la turbine contrarotative par rapport à une direction d'écoulement des 20 gaz dans la turbomachine, la turbomachine comprenant en outre un palier de guidage du second arbre par rapport au premier arbre, et un palier de guidage du second arbre par rapport audit carter de stator, caractérisée en ce que lesdits paliers sont tous situés en aval d'un bord de 25 fuite de la roue la plus aval de la turbine contrarotative et en amont du réducteur. Cette solution est avantageuse pour plusieurs raisons. Tout d'abord, d'un point de vue simplification et montage, puisque le nombre de paliers est limité et peut être de deux uniquement, à savoir un pour le guidage du 30 second arbre par rapport au premier arbre et un autre pour le guidage du second arbre par rapport au carter de stator. Par ailleurs, d'un point de vue 4 encombrement et intégration, ils sont simplifiés également du fait du nombre et de la position des paliers. Ces paliers sont effectivement situés dans une même zone située en aval de la turbine contrarotative et en amont du réducteur. Ils sont ainsi positionnés pour faciliter la transmission 5 des efforts depuis le premier arbre jusqu'au carter de stator, en évitant de solliciter le réducteur. De plus, le réducteur est relié essentiellement à trois organes dont un seul est dit « rigide >>, les deux autres étant dits « souples ». En effet, dans la configuration ci-dessus, du fait de la position des paliers et de la limitation de leur nombre, le premier arbre forme un 10 organe souple de liaison au réducteur, comme c'est le cas du second arbre. Seul le porte-satellites, qui est relié au carter de stator, peut être considéré comme un organe rigide. La turbomachine selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes des autres ou en 15 combinaison les unes avec les autres : - ledit second arbre est guidé par un seul palier par rapport audit premier arbre, et par un seul palier par rapport audit carter de stator, - chaque palier est un palier simple ou palier double, - ledit second arbre est guidé par un palier à billes par rapport audit premier 20 arbre, - ledit palier à billes comporte une bague externe fixée directement à une portion cylindrique tubulaire dudit second arbre, et - ledit palier à billes comporte une bague interne fixée directement ou par l'intermédiaire d'un piédestal annulaire à section en i à une portion 25 cylindrique tubulaire dudit premier arbre, - ledit second arbre est guidé par un palier à rouleaux par rapport audit carter de stator, - ledit palier à rouleaux comporte une bague interne fixée directement à une portion cylindrique tubulaire dudit second arbre, et une bague externe 30 fixée par un support annulaire de palier audit carter de stator, 5 - des étanchéités, par exemple à labyrinthe, sont situées en amont desdits paliers, d'une part entre les premier et second arbres, et d'autre part entre le second arbre et le carter de stator, - lesdites étanchéités sont configurées pour assurer l'étanchéité d'une 5 enceinte de lubrification délimitée notamment par ledit premier arbre ainsi que le porte-satellites dudit réducteur, et - lesdits paliers sont au moins partiellement imbriquées axialement l'un dans l'autre ou les uns dans les autres. DESCRIPTION DES FIGURES 10 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine 15 à turbine contrarotative selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle et plus détaillée de la partie aval de la turbomachine de la figure 1, - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2 et illustrant en plus des étanchéités, et 20 - la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale et à encore plus grande échelle de paliers d'une variante de réalisation de la turbomachine. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente de manière très schématique une turbomachine 10 à turbine contrarotative pour un aéronef. 25 Cette turbomachine 10 comprend d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz, une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre annulaire de combustion 18, une turbine haute pression 20 et une turbine contrarotative 22. 30 La référence 24 désigne un carter intermédiaire situé entre les compresseurs 14 et 16, et la référence 26 désigne un carter de turbine (du 6 type TVF) situé entre les turbines 20 et 22. Enfin, la référence 28 désigne un carter d'échappement (du type TRF). Ces carters forment la structure de la turbomachine : ils supportent les paliers qui guident les arbres en rotation et sont liés aux suspensions de la turbomachine. 5 Le rotor de la turbine haute pression 20 entraîne en rotation le rotor du compresseur haute pression 14 par un arbre haute pression 30 qui est centré et guidé en rotation par des paliers, tels qu'un palier amont 32 à billes et un palier aval 34 à rouleaux. Le palier 32 est monté entre une extrémité amont de l'arbre 30 et le carter intermédiaire 24, et le palier 34 10 est monté entre une extrémité aval de l'arbre 30 et le carter de turbine 26. La turbine contrarotative 22 comprend un premier rotor 22a dont des roues 22aa sont configurées pour tourner dans un premier sens de rotation et sont reliées à un premier arbre de turbine 36, et un second rotor 22b dont des roues 22ba sont configurées pour tourner dans un sens opposé 15 de rotation et sont reliées à un second arbre de turbine 38 et sont intercalées entre les roues 22aa du rotor 22a (figures 1 et 2). Chaque roue de turbine comprend une rangée annulaire de pales qui comportent chacune un profil aérodynamique comportant un intrados et un extrados qui se rejoignent pour former un bord d'attaque et un bord de 20 fuite des gaz dans la veine de turbine. Le premier arbre 36 entraine en rotation la soufflante 12 ainsi que le rotor du compresseur basse pression 14. Ce premier arbre 36 est en outre engrené avec une couronne 40 d'un réducteur mécanique 42 à train épicycloÏdal mieux visible à la figure 2. Pour cela, le premier arbre 25 comprend une portion cylindrique tubulaire 36a qui s'étend vers l'aval jusqu'à l'intérieur du carter d'échappement 28 et qui comporte à son extrémité aval une virole annulaire 36b à section en L. Cette virole 36b comprend une paroi annulaire 36ba s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la portion 36a, et une paroi cylindrique 36bb 30 s'étendant axialement vers l'amont depuis la périphérie externe de la paroi 36ba. La paroi 36bb comprend une denture interne (non visible) 7 d'engrènement avec une denture externe de la couronne 40 du réducteur 42. Ces dentures peuvent être rectilignes. La virole 36b définit autour de la portion 36a un espace annulaire de logement au moins partiel du réducteur 42. 5 Le second arbre 38 est engrené avec le solaire 44 ou planétaire du réducteur 42 et comprend une portion cylindrique tubulaire 38a s'étendant autour et à distance radiale de la portion 36a de l'arbre 36. L'extrémité aval de la portion 38a est engagée dans le réducteur 42 et comprend une denture externe d'engrènement avec une denture interne du solaire 44. 10 Ces dentures peuvent être rectilignes. Le réducteur 42 comprend en outre des satellites (non visibles) engrenés respectivement avec le solaire 44 et la couronne 40 et portés par un porte-satellites 46 qui est fixé au carter d'échappement 28. Le carter d'échappement 28 comprend un moyeu central 28a 15 entourant au moins en partie le réducteur 42, ainsi qu'un anneau extérieur 28b qui entoure le moyeu 28a et qui est relié à celui-ci par une série de bras 28c sensiblement radiaux par rapport à l'axe longitudinal de la turbomachine. L'anneau 28b est fixé à son extrémité amont par une bride à un carter 48 s'étendant autour de la turbine contrarotative 22, et le moyeu 20 28a est fixé à son extrémité aval à un cône d'échappement 50. Le premier arbre 36 est centré et guidé à l'amont par des paliers 52, 54 montés entre le premier arbre 36 et le carter intermédiaire 24. Un premier de ces paliers est par exemple un palier amont à rouleaux 52, et un second de ces paliers est par exemple un palier aval à billes 54. 25 Le premier arbre 36 est en outre centré et guidé à l'aval par un unique palier 56 qui est disposé entre les premier et second arbres 36, 38 et plus exactement entre leurs portions 36a, 38a. Dans l'exemple représenté, il s'agit d'un palier à billes 56 dont la bague interne 56a est fixée directement sur la portion 36a et la bague externe 56b est fixée 30 directement sur la portion 38a. Le palier 56 est situé à l'aval de la turbine 22 (c'est-à-dire à l'aval du bord de fuite 22ba1 de la roue la plus aval de la 8 turbine 22) et à l'amont du réducteur 42, et est plus proche de l'extrémité amont du carter d'échappement 28 que de son extrémité aval. Dans la variante représentée à la figure 4, la bague externe 56b est fixée directement sur la portion 38a et la bague interne 56a est fixée sur la 5 portion 36a par l'intermédiaire d'un piédestal annulaire 72 à section en I. Ce piédestal 72 comporte deux parois annulaires coaxiales et s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre, ces parois étant reliées entre elles par une paroi annulaire radiale. En plus d'être guidé par le palier 56 vis-à-vis de l'arbre 36, l'arbre 38 10 est également guidé par un autre (unique) palier 58 vis-à-vis du carter d'échappement 28. Dans l'exemple représenté, il s'agit d'un palier à rouleaux 58 dont la bague interne 58a est fixée directement sur la portion 38a et dont la bague externe 58b est fixée à la périphérie interne d'un support annulaire de palier 60 dont la périphérie externe est fixée au carter 15 d'échappement 28 et plus spécifiquement à son extrémité amont. Le palier 58 est situé à l'aval de la turbine 22 (c'est-à-dire à l'aval du bord de fuite 22ba1 de la roue la plus aval de la turbine 22) et à l'amont du réducteur 42, et est plus proche de l'extrémité amont du carter d'échappement 28 que de son extrémité aval. 20 Chaque bague de palier peut être fixé à un arbre ou une portion d'arbre (ou une paroi de piédestal) par serrage de cette bague contre un épaulement cylindrique, ce serrage étant obtenu par exemple par un écrou vissé sur cet arbre ou portion d'arbre (ou paroi de piédestal). Le piédestal peut lui-même être fixé de la même façon sur un arbre ou une portion 25 d'arbre. Comme dans l'exemple représenté, les paliers 56, 58 peuvent être à proximité l'un de l'autre et s'étendent de préférence au moins partiellement l'un autour l'autre. Ceci permet d'éviter un porte-à-faux. Le palier 56 a ici un diamètre inférieur à celui du palier 58. 30 Dans l'exemple représenté, le support de palier 60 et le porte- satellites 46 se rejoignent ou sont formés d'une seule pièce et sont fixés 9 par une même bride annulaire externe 62 à une bride annulaire amont du carter d'échappement 28. La figure 3 montre un exemple de positionnement d'étanchéités 64, 66. Le réducteur 42 ainsi que les paliers 56, 58 sont en effet lubrifiés par de 5 l'huile et sont situés dans une enceinte annulaire de lubrification qui doit être maintenue étanche pour éviter que l'huile pollue le reste de la turbomachine. L'enceinte de lubrification s'étend autour de la portion 36a et est ainsi délimitée radialement à l'intérieur par cette portion 36a. Elle est 10 délimitée à l'aval par la paroi radiale 36ba de la virole 36b et radialement à l'extérieur par la paroi cylindrique 36bb de la virole ainsi que par le porte-satellites 46 et le support de palier 60. Son extrémité amont est ici fermée de manière étanche par les étanchéités 64, 66 qui sont de préférence du type à labyrinthe. 15 Une étanchéité à labyrinthe comprend deux éléments s'étendant l'un à l'intérieur de l'autre, l'un de ces éléments portant une couche de matière abradable et l'autre de ces éléments comportant des léchettes annulaires susceptibles de coopérer par frottement et abrasion avec la couche abradable pour limiter les jeux radiaux entre les éléments. 20 Dans l'exemple représenté, deux étanchéités 64 sont disposées entre les arbres 36, 38. Elles sont situées en amont du palier 56, sensiblement au droit de l'extrémité aval de la turbine 22. Deux autres étanchéités 66 sont disposées entre l'arbre 38 et le support de palier 60. Elles sont situées en amont du palier 58, sensiblement au droit de 25 l'extrémité aval de la turbine 22. Au moins certaines de ces étanchéités 64, 66 sont en aval du cône 22ba2 de liaison des roues 22ba de la turbine 22 à l'arbre 38. L'huile peut être amenée dans l'enceinte par des orifices radiaux traversants 68 prévus dans les portions 36a, 38a des arbres 36, 38 à 30 proximité des paliers 56, 58. Un injecteur d'huile 70 peut être monté à l'intérieur du premier arbre 36 de façon à gicler de l'huile sur la surface 10 cylindrique interne de l'arbre 36. Cette huile va rejoindre le palier 56 en traversant les orifices 68 de la portion 36a, et pourra ensuite rejoindre le palier 56 en traversant les orifices de la portion 38a, simplement par les effets de la force centrifuge en fonctionnement. L'huile est empêchée de 5 sortir de l'enceinte par les étanchéités 66, 68 et peut rejoindre le réducteur 42 à l'aval qui est par ailleurs lubrifié par son propre système de lubrification (non représenté). Ainsi, l'arbre 38 qui peut tourner à une vitesse dite rapide, entraîne le solaire 44 du réducteur et fournit ainsi de l'énergie au premier arbre 36, qui 10 est lui-même entraîné par la turbine 22. Le palier (de butée) inter-arbre 56 permet de minimiser les jeux axiaux entre les roues de la turbine 22 car les deux arbres se déplacent de la même manière. Le contrôle des jeux radiaux est réalisé au moyen du palier à rouleaux 58 qui permet de bloquer radialement l'arbre 38 afin de contrôler les jeux à la périphérie externe des 15 roues de turbine. Le palier 58 permet d'assurer que l'arbre 38 engrené avec le réducteur 42 reste parfaitement droit afin de contrôler au maximum les désalignements du réducteur. Par ailleurs, le positionnement des paliers présenté ici facilite la récupération d'huile, car on peut profiter de la présence du support de 20 palier 60 pour faciliter la récupération d'huile. De plus, on peut lubrifier le palier inter-arbre 56 par l'intérieur de l'arbre 36 à l'aide de l'injecteur 70. Le réducteur 42 peut être lubrifié avec le même gicleur que le palier à rouleaux 58 car ils sont tous les deux situés autour de l'arbre 38. Enfin, placer les deux paliers 56, 58 sensiblement dans un même 25 plan transversal perpendiculaire à l'axe de la turbomachine permet de maximiser l'encastrement radial de l'arbre 36 et permet aussi de libérer de l'espace sous le réducteur 42. En effet, l'objectif de cette configuration est de limiter l'encombrement radial sous le carter d'échappement 28 afin de pouvoir diminuer son diamètre interne. Le diamètre interne du carter 30 d'échappement 28 est directement dépendant du diamètre externe du réducteur 42, lui-même dépendant du diamètre primitif interne du solaire 11 44. Par conséquent, tout espace pouvant être gagné sous le solaire 44 permet d'améliorer l'encombrement global de la zone. Dans cette configuration, on peut envisager d'abaisser localement le diamètre primitif du réducteur 42 en diminuant le diamètre externe de l'arbre 38 et le 5 diamètre de l'arbre 36. La figure 3 permet de voir également une variante dans laquelle la virole 36b de l'arbre 36 est reliée à la portion 36a par des cannelures 71. La virole 36b et plus exactement sa paroi 36ba comprend à sa périphérie interne des cannelures rectilignes internes 71 d'accouplement à des 10 cannelures rectilignes externes 71 prévues à la périphérie externe et à l'aval de la portion 36a de l'arbre REVENDICATIONS1. Turbomachine (10) à turbine contrarotative pour un aéronef, la turbomachine comportant une turbine contrarotative (22) dont un premier rotor (22a) est configuré pour tourner dans un premier sens de rotation et est relié à un premier arbre de turbine (36), et un second rotor (22b) est configuré pour tourner dans un sens opposé de rotation et est relié à un second arbre de turbine (38), le premier rotor comportant des roues de turbine (36a) intercalées entre des roues de turbine (38a) du second rotor, la turbomachine comprenant en outre un réducteur mécanique (42) à train épicycloïdal qui comporte un solaire (44) entraîné en rotation par ledit second arbre, une couronne (40) entraînée en rotation par ledit premier arbre, et un porte-satellites (46) fixé à un carter de stator (28) de la turbomachine situé en aval de la turbine contrarotative par rapport à une direction d'écoulement des gaz dans la turbomachine, la turbomachine comprenant un palier (56) de guidage du second arbre par rapport au premier arbre, et un palier (58) de guidage du second arbre rapport audit carter de stator, caractérisée en ce que lesdits paliers sont tous situés en aval d'un bord de fuite (22ba1 ) de la roue la plus aval de la turbine contrarotative et en amont du réducteur. 2. Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans laquelle ledit second arbre (38) est guidé par un seul palier (56) par rapport audit premier arbre (36), et par un seul palier (58) par rapport audit carter de stator (28). 3. Turbomachine (10) selon la revendication 2, dans laquelle chaque palier (56, 58) est un palier simple ou palier double. 4. Turbomachine (10) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle ledit second arbre (38) est guidé par un palier à billes (56) par rapport audit premier arbre (36). 13 5. Turbomachine (10) selon la revendication 4, dans laquelle ledit palier à billes (56) comporte une bague externe (56b) fixée directement à une portion cylindrique tubulaire (38a) dudit second arbre (38). 6. Turbomachine (10) selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle ledit 5 palier à billes (56) comporte une bague interne (56a) fixée directement ou par l'intermédiaire d'un piédestal annulaire (72) à section en i à une portion cylindrique tubulaire (36a) dudit premier arbre (36). 7. Turbomachine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit second arbre (38) est guidé par un palier à rouleaux 10 (58) par rapport audit carter de stator (28). 8. Turbomachine (10) selon la revendication 7, dans laquelle ledit palier à rouleaux (58) comporte une bague interne (58a) fixée directement à une portion cylindrique tubulaire (38a) dudit second arbre (38), et une bague externe (58b) fixée par un support annulaire de palier (60) audit carter de 15 stator (28). 9. Turbomachine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle des étanchéités (66, 64), par exemple à labyrinthe, sont situées en amont desdits paliers (56, 58), d'une part entre les premier et second arbres (36, 38), et d'autre part entre le second arbre et le carter de 20 stator (28). 10. Turbomachine (10) selon la revendication 9, dans laquelle lesdites étanchéités (66, 68) sont configurées pour assurer l'étanchéité d'une enceinte de lubrification délimitée notamment par ledit premier arbre (36) ainsi que le porte-satellites (46) dudit réducteur (42). 25 11. Turbomachine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits paliers (56, 58) sont au moins partiellement imbriquées axialement l'un dans l'autre ou les uns dans les autres.