Brevet FR3099203A1 — publié le 20210129

Description Titre de l'invention : CIRCUIT DE LUBRIFICATION D'UNE TURBOMACHINE D'AERONEF Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention se rapporte au domaine général de la lubrification dans une tur- bomachine d'aéronef. Arrière-plan technique [0002] Les turbomachines d'aéronef sont équipées d'un groupe de lubrification qui a pour fonction par l'intermédiaire d'un réseau de distribution d'injecter dans le moteur un débit d'huile nécessaire à la lubrification des enceintes, de certains équipements d'une boîte d'engrenages du type AGB (acronyme de l'anglais Accessorv Gear Box), ainsi que de la transmission mécanique entre un réducteur mécanique de la turbomachine et l' AGB. [0003] Le groupe de lubrification est équipée d'une pompe d'alimentation volumétrique et de pompes de récupération qui sont accouplées en rotation à l'entrainement de la boîte d'engrenages. Leurs débits sont donc linéaires avec la rotation de la turbomachine. [0004] La pompe d'alimentation est dimensionnée pour fournir le débit au décollage qui correspond en général au point de puissance calorifique maximum générée sur l'huile par le moteur. Ce débit au décollage résulte de calculs thermiques permettant de satisfaire les spécifications de températures de l'huile et des fluides disponibles récupérant les calories de l'huile. Les débits aux autres points de fonctionnement se déduisent à partir de la caractéristique et de la vitesse de rotation de la pompe. [0005] Pour refroidir l'huile, deux fluides sont disponibles à savoir le carburant et l'air prélevé sur le moteur ou l'avion. Chaque échangeur de chaleur, du type huile-carburant ou air-huile, a pour fonction de transférer à une source froide une partie de la puissance calorifique recueillie par l'huile. Le circuit d'air de l'échangeur air-huile est une source froide additionnelle pour permettre le refroidissement de l'huile lorsque l'échangeur huile-carburant n'est plus suffisant. [0006] Le point dimensionnant de l'échangeur air-huile est le plus souvent localisé en croisière car ce point non transitoire se rapproche d'un état permanent. Malheureusement, en ce point dimensionnant., le débit optimisé pour le transfert de flux de chaleur ne correspond pas au débit maximum que la pompe d'alimentation est capable de délivrer. On optimise l'efficacité de l'échangeur par rapport du flux réel échangé sur le flux maximum échangeable en ce point de croisière avec le débit fourni par la pompe. L'optimisation de l'efficacité avec ce débit nous amène à une taille d'échangeur non optimisée mais compatible forcément de ce débit et des températures 2 des fluides. [0007] Pour les autres points, la puissance calorifique dissipée par les turbomachines actuelles est une fonction linéaire de la vitesse de la turbomachine dans la plupart des applications. Comme la caractéristique de débit de la pompe d'alimentation est également une fonction linéaire avec la vitesse de la turbomachine, le coefficient d'efficacité de l'échangeur estimé au point dimensionnant en croisière conservera une valeur acceptable aux autres points de fonctionnement à plus faible débit. [0008] A l'heure actuelle, nous sommes confrontés à des architectures de turbomachines où non seulement la réjection thermique est plus importante niais où les réjections thermiques et donc les besoins en débit ne sont plus linéaires avec la vitesse de la turbomachine. [0009] La taille de l'échangeur estimée au point dimensionnant risque donc d'être fortement impactée par la valeur du débit qui ne correspond pas au débit maximum délivré par la pompe d'alimentation. De plus, cette taille d'échangeur ne permettra plus de conserver la même valeur d'efficacité aux autres points de fonctionnement. Le besoin de débit pour optimiser le transfert de chaleur (soit l'efficacité) aux autres points n'est donc plus assuré puisque le débit suit une loi linéaire. [0010] La présente invention propose une solution à ce problème, qui est simple, efficace et économique. Résumé de l'invention [0011] La présente invention propose un circuit de lubrification d'une turbomachine d'aéronef, comportant : [0012] un groupe de lubrification équipé d'un au moins une pompe d'alimentation comportant un rotor configure pour être entraîné par un arbre de sortie d'une boîte d'engrenages, - au moins un réservoir d'huile comportant une sortie d'huile reliée à ladite au moins une pompe, [0013] caractérisé en ce qu' d comprend en outre : [0014] - un différentiel mécanique à train épicycloïdal, cc différentiel comportant : [0015] unc première entrée configurée pour être entraînée par ledit arbre de sortie, [0016] -- une seconde entrée entraînée en rotation par un premier moteur électrique, et [0017] -- une sortie qui entraîne en rotation ledit rotor. [0018] L'invention consiste ainsi à moduler la vitesse d'entrainement du rotor de la pompe d'alimentation en ne dépassant pas par exemple la vitesse maximale au décollage et en ne descendant pas par exemple en dessous d'un certain seuil minimum. Ceci peut notamment permettre de réduire la taille et les pertes de charge des échangeurs à huile associés à ce circuit. 3 100191 Un différentiel mécanique à train épicycloïdal comprend deux entrées et une sortie choisies parmi une couronne, un solaire, et un porte-satellites portant des satellites engrenés respectivement avec la couronne et le solaire. [0020] Le circuit selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : [0021] - un différentiel mécanique à train épicycloïdal, ce différentiel comportant : [0022] -- une couronne configurée pour être entraînée par ledit arbre de sortie, [0023] -- un solaire entraîné en rotation par un premier moteur électrique, et [0024] -- des satellites engrenés respectivement avec la couronne et le solaire et portés par un porte-satellites qui entraîne en rotation ledit rotor, [0025] - ledit porte-satellites est relié audit rotor par un second moteur électrique, [0026] - lesdits premier et second moteurs électriques sont reliés ensemble par des boîtiers de commande du mode de fonctionnement de chaque moteur parmi des modes moteur et générateur, [0027] - ledit groupe de lubrification comprend plusieurs pompes de récupération d'huile dont des sorties sont reliées à une entrée dudit réservoir, [0028] - les sorties des pompes de récupération sont reliées à l'entrée du réservoir par un échangeur de chaleur air-huile et/ou par un échangeur de chaleur air-carburant, [0029] - ledit porte-satellites est en outre configuré pour entraîner en rotation un rotor d'un alternateur à aimant permanent, par exemple par l'intermédiaire d'un premier multiplicateur de vitesse, et [0030] - ledit porte-satellites est en outre configuré pour entraîner en rotation un rotor d'une pompe d'un circuit de carburant de la turbomachine, par exemple par l'intermédiaire d'un second multiplicateur de vitesse. [0031] La présente invention concerne également une turbomachine d'aéronef, comportant au moins au moins un circuit tel que décrit ci-dessus. Brève description des figures [0032] 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 : [0033] [fig.1] la figure 1 est une vue schématique d'un circuit de lubrification d'une tur- bomachine d'aéronef, selon la technique antérieure, [0034] [fig.2] la figure 2 est une vue schématique d'un circuit de lubrification d'une tur- bomachine d'aéronef, selon l'invention, [0035] [fig.3] la figure 3 est une vue schématique d'une variante de réalisation d'un circuit de lubrification d'une turbomachine d'aéronef, selon l'invention. Description détaillée de l'invention [0036] La figure 1 montre un circuit 10 de lubrification d'une turbomachine d'aéronef selon l'invention. [0037] Le circuit 10 comprend un groupe de lubrification 12 comportant une pompe d'alimentation 14 et plusieurs pompes de récupération 16, ainsi qu'un réservoir d'huile 18. [0038] Le réservoir 18 comprend une sortie 18a reliée à une entrée 14a de la pompe 14 et une entrée 18b reliée aux sorties 16a des pompes 16. La sortie 14b de la pompe 14 est reliée à plusieurs équipements 20 de la turbomachine en vue de leur lubrification. Ces équipements 20 comprennent par exemple des enceintes de lubrification de paliers de la turbomachine, une boîte d'engrenages, un réducteur mécanique à train épicycloïdal, etc. L'huile qui alimente ces équipements est ensuite récupérée par les pompes 16 en vue de son recyclage et est donc réacheminée jusqu'aux entrées 16h des pompes 16. [0039] L'invention propose un perfectionnement à cette technologie, qui consiste à entraîner le rotor de la pompe 14 par l'intermédiaire d'un différentiel mécanique à train épi-cycloïdal [0040] La figure 2 illustre un premier mode de réalisation de cette invention. [0041] Lc différentiel mécanique à train épicycloïdal 22 comporte : [0042] - une couronne 24 configurée pour être entraînée par un arbre de sortie 26 par exemple d'une boîte d'engrenages 27 du type AGB, [0043] - un solaire 28 entraîné en rotation par un premier moteur électrique 30, et [0044] - des satellites 32 engrenés respectivement avec la couronne 24 et le solaire 28 et portés par un porte-satellites 34 qui entraîne en rotation le rotor de la pompe 14. [0045] Avantageusement et comme représenté sur le dessin, le porte-satellites 32 est relié au rotor de la pompe 14 par un second moteur électrique 36. [0046] Les moteurs électriques 30, 36 sont reliés ensemble par des boîtiers 38 de commande du mode de fonctionnement de chaque moteur parmi des modes moteur et générateur. [0047] Lc rotor de la pompe 14 n'est ainsi plus entraîné directement en rotation par le boitier d'engrenages mais par une transmission à différentiel à deux entrées et une sortie. Cette transmission permet de relier les deux entrées, l'arbre de la boîte 27 et l'axe du moteur électrique 30, à la sortie formée par le rotor de la pompe 14. Le moteur électrique 30 est configuré pour ajuster la vitesse du groupe de lubrification 12 et en particulier du rotor de la pompe d'alimentation 14. [0048] Le moteur 36 additionnel permet d'assurer le transfert de puissance avec le moteur 30. Si la vitesse du groupe de lubrification 12 doit être augmentée, le moteur électrique 30 fonctionnera en mode moteur et son énergie sera délivrée par le moteur 36 positionné sur le rotor de la pompe. Si la vitesse du groupe de lubrification 12 doit être diminuée, le moteur électrique 30 fonctionnera en mode générateur et son énergie sera transférée au moteur 36. Les deux moteurs 30, 36 sont pilotés au travers de boitiers de commande dits « inverseur » qui transfèrent la puissance de façon réciproque. [0049] Le train épicycloïdal comporte plusieurs configurations cinématiques en termes de combinaisons d'entrées et de sortie. Le choix des configurations est à identifier en fonction des contraintes de l'application considérée. [0050] Dans l'exemple représenté, les sorties 16a des pompes de récupération 16 sont reliées à l'entrée 181) du réservoir 18 par un échangeur de chaleur air-huile 40 et/ou par un échangeur de chaleur air-carburant 42. [0051] Si par exemple le point dimensionnant l'échangeur 40 est le régime croisière, l'architecture permettra d'augmenter la vitesse d'entrainement de la pompe 14 à celle du décollage pour majorer le débit. Cette augmentation de débit sans dépasser le débit maximum du décollage devrait favoriser l'échange thermique. [0052] Avec la surface d'un échangeur qui aurait été déterminée sans cette modularité de vitesse, l'augmentation du débit abaissera la température maximale de l'huile grâce à l'amélioration de l'efficacité de l'échangeur. En effet, le coefficient d'efficacité est une fonction des capacités calorifiques des fluides mais aussi des nombres de Nusselt des fluides. Ces nombres de Nusselt sont dépendants de la vitesse des fluides transitant dans cet échangeur par le biais du nombre de Reynolds. Si on diminue la surface d'échange, une augmentation du débit maintiendra la même valeur de température maximale d'huile avec une efficacité similaire à celle qui aurait été obtenue sans cette modularité de vitesse. Le coefficient d'efficacité est également une fonction de caractéristiques géométriques dont la surface d'échange. On peut donc réduire la surface de l'échangeur proportionnellement au gain de l'efficacité. [0053] L'objectif est donc atteint en augmentant le débit, on améliore le coefficient d'échange et par conséquent la capacité à échanger des calories. Cet échange étant favorisé, cela se traduit par un meilleur coefficient d'efficacité ou par une réduction de la surface d'échange soit de l'échangeur 42, soit de l'échangeur 40, voire la suppression de l'échangeur 40. [0054] Pour tout point de fonctionnement, la vitesse de la pompe 14 sera ajustée pal- le moteur 30 afin de garantir le débit optimal. Aux faibles régimes, une vitesse minimale de la pompe 14 sera maintenue pour garantir un débit minimal au point de fonctionnement lorsque la soufflante de la turbomachine est en roue libre. [0055] La présente invention propose ainsi : [0056] - lorsque les réjections thermiques sont linaires avec la vitesse de la turbomachine : une architecture qui vise à réduire la taille de l'échangeur air-huile en croisière à efficacité similaire en n'impactant pas le dimensionnement du groupe de lubrification ; la taille de l'échangeur air-huile positionné au niveau de la veine est pénalisant par sa 6 niasse niais aussi par la perte de charge qu'elle induit. [0057] - lorsque les réjections thermiques ne sont plus linéaires avec la vitesse de la tur- bomachine : une architecture qui vise également à améliorer l'efficacité aux autres points de fonctionnement [0058] Cette architecture propose donc d'adapter le besoin de débit en ne dépassant pas le débit du décollage pour se situer à iso groupe de lubrification. Il est important de signaler que la consommation d'huile a un impact sur la taille du réservoir, que le surplus de consommation d'huile du moteur a un impact sur le dimensionnement des pompes de récupération. Il est donc primordial d'optimiser le débit d'huile afin d'éviter des surdimensionnements d'autres composants. Cette adaptation du débit est obtenue par une adaptation de la vitesse. [0059] La présente invention propose également d'assurer une valeur minimale de débit à faible régime. En effet, à faible régime, lorsque la soufflante de la turbomachine est en roue libre, le débit délivré par la pompe d'alimentation est limite pour la tenue au feu de certains organes accouplés à la boite d'engrenages. Pour pallier à ce faible débit, certains organes sont munis de protection thermique. D'autre part, si on veut éviter le problème de la cokéfaction lors du fonctionnement du moteur à l'arrêt, un minimum de débit d'huile devrait être assuré. [0060] La présente invention propose donc en plus de la flexibilité de la vitesse d'entrainement de la pompe, une diminution de la variabilité de cette vitesse d'entrainement afin d'augmenter la vitesse au bas régime de la boite d'engrenages. Cette flexibilité et la restriction du domaine de variabilité de la vitesse sont le résultat d'une transmission mécanique à différentiel avec transfert de puissance. [0061] La présente invention propose une architecture, qui suivant l'application et après analyse, pourrait être très utile face aux problématiques citées. L'objectif principal consiste à réduire la masse de l'échangeur air-huile 40 et sa perte de charge dans la veine. L'architecture consiste à ajuster la vitesse d'entrainement de la pompe d'alimentation afin d'atteindre un débit d'optimisation de l'échangeur. [0062] Un débit d'optimisation au niveau des échangeurs pour tout point de vol permet soit de réduire la taille des échangeurs soit de réduire le transfert de chaleur de l'huile vers le carburant ou vers l'air. Toute réduction de transfert de chaleur vers le carburant est intéressante car elle pourrait conduire à une suppression de la vanne de retour carburant (FRV). Cette vanne de retour carburant a été conçue pour mélanger du carburant chaud et froid afin de réduire la température du fluide renvoyé au réservoir pour limiter l'impact sur la température de carburant contenu dans le réservoir (qui rentrera à nouveau dans le moteur). [0063] Dans la variante de réalisation de la figure 3, le porte-satellites 34 du différentiel 22 est en outre configuré pour entraîner en rotation un rotor d'un alternateur à aimant 7 permanent 44, par exemple par l'intermédiaire d'un premier multiplicateur de vitesse 46. [0064] Dans l'exemple représenté, le porte-satellites 34 est en outre configuré pour entraîner en rotation un rotor d'une pompe 48 d'un circuit de carburant de la turbomachine, par exemple par l'intermédiaire d'un second multiplicateur de vitesse 50. [0065] Il est en effet possible d'étendre cette architecture au PMA (permanent magne! al- ternator) source génératrice de puissance du FADEC et au système à carburant en les positionnant sur le même axe d'entrainemcnt du groupe de lubrification si le dimensionnement de ces équipements le permettent. Le choix de la vitesse de sortie du différentiel pour chaque point de vol devra être compatible des besoins du système à carburant, des besoins du groupe de lubrification et du PMA au travers de multiplicateurs 46, 50. [0066] Pour le PMA, la garantie d'une vitesse minimale à bas régime permettrait d'atteindre des couples plus élevés, ce qui conduit à une réduction de la taille du PMA. [0067] Cette extension d'architecture pour le système à carburant est particulièrement utile si le circuit carburant intègre uniquement une pompe centrifuge avec régulation du débit injecté par le moteur 30 et non plus par régulation d'un diaphragme en série avec la pompe. [0068] En effet, cette flexibilité et restriction du domaine de variabilité de la vitesse per- mettraient à la fois de supprimer la boucle de recirculation du système à carburant mais également d'assurer aux bas régimes de la turbomachine une vitesse suffisante d'entrainement de la pompe centrifuge du système à carburant. La pression différentielle requise pour l'activation des géométries variables aux bas régimes serait donc assurée aux bornes de la pompe centrifuge grâce à cette vitesse minimale d'entrainement. [0069] Ce principe d'entrainement à différentiel du groupe de lubrification est très innovant car il offre les avantages suivants : [0070] - réduction de la taille des échangeurs huile ; [0071] - suppression potentielle de la vanne FRV ; [0072] - entrainement simultanée de la pompe d'alimentation et du PMA ; entrainement en parallèle du PMA par l'axe de sortie du différentiel au travers de multiplicateur nécessaire ; réduction de la taille du PMA, car entrainement à plus haute vitesse aux bas régimes et donc augmentation du couple aux bas régimes ; [0073] - pas de prélèvement supplémentaire de puissance électrique pour l'entrainement du moteur électrique de pilotage grâce au transfert de puissance ; [0074] - entrainement simultanée de la pompe et du système à carburant ; entrainement en parallèle du système à carburant par le porte-satellites du différentiel au travers de multiplicateur ; architecture simplifiée du système à carburant par pompe centrifuge sans 8 boucle de recirculation car entrainement à plus hautes vitesses aux bas régimes et donc augmentation de la pression différentielle requise pour l'activation des géométries variables. 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Circuit (10) de lubrification d'une turbomachine d'aéronef, comportant : - un groupe de lubrification (12) équipé d'au moins une pompe d'alimentation (14) comportant un rotor configure pour être entraîné par un arbre de sortie (26) d'une boîte d'engrenages (27), - au moins un réservoir d'huile (18) comportant une sortie d'huile (18a) reliée à ladite au moins unc pompe, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un différentiel mécanique (22) à train épicycloïdal, ce différentiel comportant : -- unc première entrée configurée pour être entraînée par ledit arbre de sortie, - unc seconde entrée entraînée en rotation par un premier moteur électrique (30), et - unc sortie qui entraîne en rotation ledit rotor. [Revendication 2] Circuit (10) selon la revendication 1, dans lequel le différentiel mécanique (22) comporte : - unc couronne (24) configurée pour être entraînée par ledit arbre de sortie, -- un solaire (28) entraîné en rotation par un premier moteur électrique (30), et -- des satellites (32) engrenés respectivement avec la couronne et le solaire et portés par un porte-satellites (34) qui entraîne en rotation ledit rotor. [Revendication 3] Circuit (10) selon la revendication 2, dans lequel ledit porte-satellites (34) est relié audit rotor par un second moteur électrique (36). [Revendication 4] Circuit (10) selon la revendication 3, dans lequel lesdits premier et second moteurs électriques (30, 36) sont reliés ensemble par des boîtiers de commande (30, 36) du mode de fonctionnement de chaque moteur parmi des modes moteur et générateur. [Revendication 5] Circuit (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit groupe de lubrification (12) comprend plusieurs pompes (16) de récupération d'huile dont des sorties (16a) sont reliées à une entrée dudit 10 réservoir (18). [Revendication 6] Circuit (10) selon la revendication 5, dans lequel les sorties (16a) des pompes de récupération (16) sont reliées à rentrée (18h) du réservoir (18) par un échangeur de chaleur air-huile (40) et/ou par un échangeur de chaleur air-carburant (42). [Revendication 7] Circuit (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit porte-satellites (34) est en outre configure pour entraîner en rotation un rotor d'un alternateur à aimant permanent (44), par exemple par l'intermédiaire d'un premier multiplicateur de vitesse (46). [Revendication 8] Circuit (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit porte-satellites (34) est en outre configure pour entraîner en rotation un rotor d'une pompe (48) d'un circuit de carburant de la turbomachine, par exemple par l'intermédiaire d'un second multiplicateur de vitesse (50). [Revendication 9] Turbomachine d'aéronef, comportant au moins un circuit (10) selon l'une des revendications précédentes.