Brevet FR3092367A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : TURBOMACHINE D'AERONEF Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine des réducteurs mécaniques pour des tur- bomachines d'aéronef. Arrière-plan technique [0002] L'état de l'art comprend notamment les documents WO-A1-2010/092263, FR-A1-2 987 416 et FR-A1-3 041 054. [0003] Le rôle d'un réducteur mécanique est de modifier le rapport de vitesse et de couple entre l'axe d'entrée et l'axe de sortie d'un système mécanique. [0004] Les nouvelles générations de turbomachines à double flux, notamment celles ayant un haut taux de dflution. peuvent comporter un réducteur mécanique par l'intermédiaire duquel l'arbre d'une turbine de puissance entraîne l'arbre d'une soufflante (aussi appelé « fan »). De manière usuelle, le réducteur a pour but de transformer la vitesse de rotation dite rapide de l'arbre de la turbine en une vitesse de rotation plus lente pour l'arbre de la soufflante. [0005] Un tel réducteur peut être formé par un train épicycloïdal, lequel comprend un pignon central, appelé solaire, ainsi qu'une couronne et des pignons appelés satellites qui sont en prise entre le solaire et la couronne. Les satellites sont maintenus par un châssis appelé porte-satellites. Le solaire, la couronne et le porte-satellites sont des planétaires car leurs axes de révolution coïncident avec l'axe longitudinal X de la turbomachine. Les satellites ont chacun des axes de révolution différents équirépartis sur le même diamètre de fonctionnement autour de l'axe des planétaires. Ces axes sont parallèles à Faxe longitudinal X. [0006] Il existe plusieurs architectures de réducteurs pour turbomachine à double flux, et en particulier ces réducteurs peuvent être de type planétaire ou de type épicycloïdal : [0007] - Sur un réducteur de type planétaire, le porte-satellites est fixe et la couronne constitue l'arbre de sortie du dispositif qui tourne dans le sens inverse du solaire. [0008] - Sur un réducteur de type épicycloïdal la couronne est fixe et le porte-satellites constitue l'arbre de sortie du dispositif qui tourne dans le même sens que le solaire. [0009] Les réducteurs peuvent être composés d'un ou plusieurs étages d'engrènement. Cet engrènement est assuré de différentes façons comme par contact, par friction ou encore par champs magnétique. Il existe plusieurs types d'engrènement par contact comme avec des dentures droites ou en chevron. [0010] Un réducteur doit être lubrifié et l'apport d'huile de lubrification aux composants tournants d'un réducteur est complexe. L'huile sert à la lubrification du réducteur mais 2 aussi au refroidissement de certains de ses éléments. La maîtrise de la lubrification d'un réducteur est donc importante pour garantir sa durée de vie. [0011] Lors des phases d'autorotation (appelée « windmilling » en anglais) dc la soufflante au sol ou en vol, c'est-à-dire lorsque la turbomachine est à l'arrêt niais que le vent relatif entraine en rotation la soufflante et donc aussi le réducteur, la vitesse de rotation de l'arbre haute pression (ou HP) de la turbomachine est faible au regard de celle de son arbre basse pression (BP). Il reste néanmoins nécessaire de lubrifier le réducteur. Il est donc connu de mettre en place un système auxiliaire pour venir lubrifier le réducteur dans ces phases de fonctionnement. [0012] Une solution à ce besoin pourrait consister à intégrer une pompe auxiliaire dont un rotor serait entraîné par l'arbre de soufflante via une chainc cinématique à plusieurs étages de pignons à dentures droites, afin dc démultiplier la vitesse dc rotation de la pompe par rapport à celle de l'arbre de soufflante. Ainsi, dès les premières rotations dc l'arbre de soufflante, la pompe auxiliaire serait amorcée et fournirait de l'huile au réducteur, même dans le cas d'une faible vitesse de rotation de la soufflante comme par exemple dans une phase d'autorotation de la soufflante au sol. [0013] Cependant, une telle chainc cinématique entre l'arbre de soufflante et la pompe auxiliaire serait trop encombrante et serait difficile à intégrer dans l'enceinte du réducteur. De plus, cette chainc cinématique aurait une masse élevée. [0014] La présente invention propose un perfectionnement à cette technologie qui est simple, efficace et économique. Résumé de l'invention [0015] L'invention concerne une turbomachine d'aéronef, comportant un arbre d'entraînement d'une soufflante par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique, ce réducteur comportant : - un solaire ayant un axe de rotation, - une couronne qui s'étend autour du solaire, la couronne étant reliée à un porte-couronne, et - des satellites qui sont engrenés avec le solaire et la couronne et qui sont maintenus par un porte-satellites, [0016] au moins un des éléments choisis parmi le porte-couronne et le porte-satellites étant un élément mobile en rotation autour de l'axe de rotation du solaire, la turbomachine comportant en outre une pompe auxiliaire de lubrification à rotor qui est raccordée à un réservoir d'huile de lubrification et qui est configurée pour lubrifier au moins certaines pièces du réducteur, caractérisée en ce que le rotor de la pompe auxiliaire porte un pignon conique qui est engrené avec une denture conique portée par ledit élément mobile en rotation. 3 [0017] L'invention propose une solution au problème d'intégration d'une pompe auxiliaire de lubrification d'un réducteur, en particulier lors des phases d'autorotation de la soufflante. La pompe est du type mécanique et comprend un pignon qui est ici entraîné par un jeu de dentures coniques, une première denture conique étant portée par le pignon du rotor de la pompe et une seconde denture conique étant portée par l'un des éléments tournants du réducteur, à savoir le porte-satellites dans le cas où le réducteur est du type épicycloïdal et le porte-couronne dans le cas où le réducteur est du type planétaire. Le fait de se passer d'une chainc cinématique à plusieurs étages de pignons permet d'optimiser de manière significative l'encombrement du système qui peut donc être intégré dans l'enceinte du réducteur. [0018] Par ailleurs, cette solution permet de faciliter l'augmentation de la vitesse d'entraînement du rotor de la pompe. Dans le cas de l'entraînement du rotor de la pompe par l'arbre de soufflante et de dentures droites, il serait nécessaire d'utiliser un pignon principal solidaire de l'arbre de soufflante et un pignon intermédiaire entre ce pignon principal et un pignon sur le rotor de la pompe, pour augmenter suffisamment la vitesse du rotor de la pompe. Avec l'utilisation d'une denture conique portée par le porte-couronne ou le porte-satellites, cette denture sera préférablement située à un diamètre plus important que la moyenne entre le diamètre de l'arbre de soufflante et le diamètre extérieur du porte-couronne, ce qui permet d'entraîner directement le pignon et donc le rotor de la pompe à une vitesse élevée. [0019] Le réducteur selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres : - le porte-couronne est mobile en rotation autour de l'axe X et comprend un premier tronçon axial sensiblement tubulaire de liaison à un arbre de soufflante, et un second tronçon axial de liaison à la couronne qui s'évase en direction de la couronne et qui porte ladite denture conique, - ledit second tronçon a en demi section axiale une forme générale arrondie ou en C, présentant une convexité dirigée vers l'amont de la turbomachine, - ladite une projection axiale de ladite denture conique selon l'axe de rotation du solaire est située entre un tiers et deux tiers du second tronçon, dans la direction axiale dudit axe de rotation, - ladite le milieu de ladite denture conique a un diamètre qui est supérieur à la valeur moyenne entre un diamètre externe de l'arbre de soufflante et un diamètre externe du porte-couronne. - la pompe comprend un corps fixé à un élément de stator de la turbomachine, - le corps de la pompe est fixé à une structure tronconique formant support de palier(s) pour l'arbre de soufflante, - ladite structure tronconique (26) est fixée à un carter (24) qui délimite intérieurement une veine de flux primaire de la turbomachine [0020] - le support annulaire de paliers porte au moins un palier de guidage d'un arbre de soufflante, [0021] - le pignon conique est engrené directement avec la denture conique. Brève description des figures [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine utilisant l'invention, [Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un réducteur mécanique du type épicycloïdal, [Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention incluant un réducteur mécanique du type planétaire, et [Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention incluant un réducteur mécanique du type épicycloïdal. Description détaillée de l'invention [0023] Dans la description qui suit, les expressions « amont » et « aval » font référence à l'écoulement des gaz dans la turbomachine. 100241 La figure 1 décrit une turbomachine 1 qui comporte, de manière classique, une soufflante S, un compresseur basse pression la, un compresseur haute pression lb, une chambre annulaire de combustion I c, une turbine haute pression Id, une turbine basse pression le et une tuyère d'échappement lh. Le compresseur haute pression lb et la turbine haute pression Id sont reliés par un arbre haute pression 2 et forment avec lui un corps haute pression (HP). Le compresseur basse pression la et la turbine basse pression le sont reliés par un arbre basse pression 3 et forment avec lui un corps basse pression (BP). 100251 La soufflante S est entraînée par un arbre de soufflante 4 qui est entrainé par l'arbre BP 3 au moyen d'un réducteur 6. Ce réducteur 6 est généralement de type planétaire ou épicycloïdal. 100261 Le réducteur 6 est positionné dans la partie avant de la turbomachine. Une structure fixe comportant schématiquement, ici, une partie amont 5a et une partie aval 5b qui compose le carter moteur ou stator .5 est agencée de manière à former une enceinte E entourant le réducteur 6. Cette enceinte E est ici fermée en amont par des joints au niveau d'un palier permettant la traversée de l'arbre de soufflante 4, et en aval par des joints au niveau de la traversée de l'arbre BP 3. [0027] La figure 2 montre un réducteur du type épicycloïdal 6. En entrée, le réducteur 6 est relié à l'arbre BP 3, par exemple par l'intermédiaire de cannelures internes 7a. Ainsi, l'arbre BP 3 entraîne un pignon planétaire appelé le solaire 7. Classiquement, le solaire 7, dont l'axe de rotation est confondu avec celui de la turbomachine X, entraîne une série de pignons appelés satellites 8, qui sont équirépartis sur le même diamètre autour de l'axe de rotation X. Ce diamètre est égal au double de l'entraxe de fonctionnement entre le solaire 7 et les satellites 8. Le nombre de satellites 8 est généralement défini entre trois et sept pour cc type d'application. [0028] L'ensemble des satellites 8 est maintenus par un châssis appelé porte-satellites 10. Chaque satellite 8 tourne autour de son propre axe Y, et engrène avec la couronne 9. [0029] Dans cette configuration du type épicycloïdal, l'ensemble des satellites 8 entraine en rotation le porte-satellite 10 autour de l'axe X de la turbomachine. La couronne 9 est fixée au carter moteur ou stator 5 via un porte-couronne 12 et le porte-satellites 10 est accouplé à l'arbre de soufflante 4. [0030] Chaque satellite 8 est monté libre en rotation à l'aide d'un palier 11, par exemple de type roulement ou palier hydrostatique. Chaque palier 11 est monté sur un des axes 10b du porte-satellites 10 et tous les axes sont positionnés les uns par rapport aux autres à l'aide d'un ou plusieurs châssis structurels 10a du porte-satellites 10. Il existe un nombre d'axes 10b et de paliers 11 égal au nombre de satellites. Pour des raisons de fonctionnement, de montage, de fabrication, de contrôle, de réparation ou de rechange, les axes 10b et le châssis 10a peuvent être séparés en plusieurs pièces. [0031] Pour les mêmes raisons citées précédemment, la denture d'un réducteur peut être séparée en plusieurs hélices présentant chacune un plan médian P. Dans notre exemple, nous détaillons le fonctionnement d'un réducteur à plusieurs hélices avec une couronne séparée en deux demi-couronnes: une demi-couronne avant 9a constituée d'une jante 9aa et d'une demi-bride de fixation 9ab. Sur la jante 9aa se trouve l'hélice avant de la denture du réducteur. Cette hélice avant engrène avec celle du satellite 8 qui engrène avec celle du solaire 7 ; une demi-couronne arrière 9b constituée d'une jante 9ba et d'une demi-bride de fixation 9bb. Sur la jante 9ba se trouve l'hélice arrière de la denture du réducteur. Cette hélice an-ière engrène avec celle du satellite 8 qui engrène avec celle du solaire 7. [0032] Si les largeurs d'hélice varient entre le solaire 7, les satellites 8 et la couronne 9 à cause des recouvrements de denture, elles sont toutes centrées sur un plan médian P pour les hélices avant et sur un autre plan médian P pour les hélices arrière. Dans le cas d'un roulement à deux rangées de rouleaux, chaque rangée d'éléments roulants est aussi centrée sur deux plans médians. 6 [0033] La demi-bride de fixation 9ab de la couronne avant 9a et la demi-bride de fixation 9bb de la couronne arrière 9b forment la bride de fixation 9e de la couronne. La couronne 9 est fixée au porte-couronne 12 en assemblant la bride de fixation 9c de la couronne et la bride de fixation 12e du porte-couronne 12 à l'aide d'un montage boulonné par exemple. [0034] Les flèches de la figure 2 décrivent l'acheminement de l'huile dans le réducteur 6. L'huile arrive dans le réducteur 6 depuis la partie stator 5 dans un distributeur 13 par différents moyens qui ne seront pas précisés dans cette vue car ils sont spécifiques à un ou plusieurs types d'architecture. Le distributeur 13 comprend des injecteurs 13a et des bras 13b. Les injecteurs 13a ont pour fonction de lubrifier les dentures et les bras 13b ont pour fonction de lubrifier les paliers. L'huile est amenée vers l'injecteur 13a pour ressortir par l'extrémité 13e afin de lubrifier les dentures. L'huile est également amenée vers le bras 13b et circule via la bouche d'alimentation 13d du palier. L'huile circule ensuite à travers l'axe dans une ou des zones tampons 10e pour ensuite ressortir par les orifices 10d afin de lubrifier les paliers des satellites. [0035] Dans les phases d'autorotation de la soufflante évoquées dans ce qui précède, le circuit de lubrification du réducteur est alimenté par une pompe auxiliaire. [0036] La figure 3 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel une pompe auxiliaire est intégrée dans une turbomachine en vue de la prise de puissance mécanique sur un élément tournant du réducteur. [0037] Le réducteur 6 est ici du type planétaire et comprend un porte-couronne 12 qui est mobile en rotation autour de l'axe X. L'ensemble des satellites 8 est maintenu par le porte-satellites 10 qui est fixé au carter moteur ou stator 5. Chaque satellite 8 entraine la couronne 9 qui entraîne l'arbre de soufflante 4 via le porte-couronne 12 mobile en rotation autour de l'axe X. [0038] Le porte-couronne 12 comprend ici deux portions axiales, à savoir un tronçon 12a et une cloche 12b. Le tronçon 12a, situé en amont, a une forme générale tubulaire et s'étend autour de l'axe X. Il est destiné à entraîner l'arbre de soufflante 4 et comprend en général pour cela des cannelures externes d'accouplement avec des cannelures internes de l'arbre de soufflante 4. [0039] La cloche 121,, située en aval, est évasée axialement de l'amont vers l'aval et a ainsi en section axiale une forme incurvée ou en C dont la concavité est orientée vers l'aval. L'extrémité aval du tronçon 12a est reliée à l'extrémité amont de la cloche 12b et l'extrémité aval de cette cloche est fixée à la couronne 9 par l'intermédiaire de brides 12c, 9c. [0040] Dans l'exemple représenté, la cloche 12b porte une denture conique 14 engrenée avec un pignon conique 16 porté parie rotor 18 de la pompe 20. La denture 14 a un diamètre qui s'élargit de l'amont vers l'aval. Son diamètre moyen est noté D2 et est ici 7 compris entre le diamètre externe ou maximum Dl du tronçon 12a ou de l'arbre 4, et le diamètre externe ou maximum D3 de la cloche 12b ou de la couronne 9. Dans l'exemple représenté, la denture 14 est située sensiblement au milieu de la cloche 12b, le long de l'axe X. [0041] La pompe 20 comprend le rotor 18 et un corps 22. Le corps 22 est fixe et peut être fixé à un élément de stator quelconque de la turbomachine. Il est par exemple fixé à un carter d'entrée 24 de la turbomachine, qui définit la veine d'alimentation en air du compresseur. En variante, il pourrait être fixé à un support annulaire 26 de palier(s) 28 de guidage en rotation de l'arbre de soufflante. [0042] Le rotor 18 de la pompe 20 s'étend parallèlement à l'axe X et est guidé en rotation par un ou plusieurs paliers 30. Il porte le pignon 16 qui est directement engrené avec la denture 14. [0043] La figure 4 représente une variante de réalisation de l'invention dans lequel une pompe auxiliaire 20 est intégrée dans une turbomachine en vue de la prise de puissance mécanique sur un autre élément tournant du réducteur. [0044] Le réducteur 6 est ici du type épicycloïdal et comprend un porte-satellites 10 qui est mobile en rotation autour de l'axe X et qui porte la denture 14 engrenée avec le pignon conique 16 de la pompe 20. [0045] La couronne 9 du réducteur 6 est fixe et ici fixée à un élément de rotor de la tur- bomachine tel que son carter d'entrée ou un carter intermédiaire. [0046] L'invention propose donc une solution à l'intégration d'une pompe auxiliaire de lu- brification d'un réducteur au plus près du réducteur et avec un encombrement et une masse réduits. 8