Brevet FR3096276A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : Pièce pour dégazeur centrifuge de turbomachine avec parois périphériques adaptées Domaine technique de l'invention [0001] L'invention concerne notamment un dégazeur centrifuge de turbomachine. Arrière-plan technique [0002] Les turbomachines sont des systèmes complexes qui mettent en oeuvre un certain nombre d'ensembles tournants (turbines, compresseur, etc.) qui doivent être équipés de dispositifs d'étanchéité. Ces dispositifs d'étanchéité sont en général réalisés par des labyrinthes d'air pressurisé aménagés au voisinage des ensembles tournants. Pour ce faire, un air est prélevé directement dans la veine d'air de la turbomachine. Cet air transite ensuite dans la turbomachine par les différents labyrinthes prévus à cet effet, puis est évacué vers l'extérieur de la turbomachine pour limiter la montée en pression des autres zones de la turbomachine, notamment le réducteur, la boite d'accessoires, etc. Cet air ayant transité par différentes zones de la turbomachine est chargé en huile utilisée pour le refroidissement et la lubrification des paliers et des pignons des ensembles tournants. Pour éviter le rejet d'air chargé d'huile, atténuer l'impact écologique des turbomachines, réduire la consommation d'huile et limiter les opérations de remplissage des réserves d'huile, il est important de prévoir des dégazeurs qui permettent de séparer l'huile de l'air avant d'évacuer l'air vers l'extérieur de la turbomachine. [0003] Un tel dégazeur est en général agencé et entrainé par une prise de puissance mécanique au niveau de la boite d'accessoires ou du réducteur de la turbomachine. [0004] De manière connue, un tel dégazeur centrifuge comprend une ou plusieurs enceinte(s) de séparation centrifuge du mélange air/huile agencée(s) autour d'un arbre creux et délimitée( s) par une paroi annulaire externe et une paroi annulaire interne. Le dégazeur comprend en outre une entrée axiale d'alimentation de l'enceinte avec le mélange air/huile, et une sortie d'huile périphérique ménagée dans la paroi externe. Ainsi, lors de la mise en rotation du dégazeur, obtenue en général par l'intermédiaire d'un pignon de la boite d'accessoires ou du réducteur, l'huile est naturellement entrainée par force centrifuge vers la sortie d'huile ménagée en périphérie du dégazeur. Une sortie d'air déshuilé est en outre ménagée dans la paroi interne et reliée à l'arbre creux, ce qui permet d'évacuer l'air vers l'extérieur. [0005] Certains déeazeurs, tels que celui décrit dans la demande WO-A1-2011/004023, comprennent en outre des filtres agencés dans l'enceinte du dégazeur pour améliorer le captage des gouttes d'huile et favoriser ainsi le déshuilage du mélange. En effet, les 2 filtres augmentent la surface de contact disponible et améliorent donc la probabilité qu'une goutte (l'huile transportée par le flux de mélange soit accrochée à une paroi. Ces filtres sont en général fonnés d'une mousse métallique, telle qu'une mousse commercialisée sous la dénomination Retimet0. [0006] Cependant les performances des dégazeurs connus sont en général handicapées par des pertes de charge internes qui sont ducs à deux causes en particulier, les formes de la veine, comprenant l'enceinte de centrifugation, empruntée par le flux d'air en cours de déshuilage, et la présence de la mousse métallique. [0007] En ce qui concerne les formes internes au dégazeur délimitant la veine empruntée par le flux d'air, le procédé de fabrication peut alors être limitant quant au potentiel de géométrie optimale à réaliser. [0008] En ce qui concerne, la présence de mousse métallique, les pertes de charge sont ducs au fait qu'à haute vitesse (par exemple pour des vitesses de l'ordre de 6000 tours/min), la surface frontale constituée par la mousse métallique agit comme un mur et le degré de pénétration des particules d'air dans la mousse est faible. De cc point de vue, les procédés de fabrication connus, intégrant par exemple une mousse déterminée, ne permettent pas le pilotage de la géométrie de la structure. [0009] Il est alors complexe de trouver un couple solution technologique / moyen de production compatible des deux aspects que sont la minimisation des pertes et l'optimisation de la capacité de déshuilage. [0010] 11 existe donc un besoin d'améliorer la conception de l'enceinte de séparation centrifuge pour optimiser les performances de déshuilage tout en limitant la perte de charge au travers du dégazeur. Résumé de l'invention [0011] A cet effet, l'invention concerne une pièce pour un dégazeur centrifuge d'un mélange air/huile de turbomachine, destinée à tourner autour d'un axe longitudinal de symétrie, formant une enceinte annulaire de séparation centrifuge dudit mélange, l'enceinte formant une veine de passage de fluide dont une entrée est orientée axialetnent pour l'alimentation de l'enceinte avec ledit mélange, et dont une première sortie est orientée radialement vers l'intérieur pour la sortie de l'air déshuilé séparé dudit mélange, l'enceinte comportant en outre une paroi périphérique extérieure de forme générale cylindrique percée d'une pluralité d'orifices, destinés à évacuer l'huile séparée dudit mélange vers l'extérieur du dégazeur, caractérisée en ce que la surface radialement interne de ladite paroi périphérique comporte des motifs en creux connectés à l'embouchure desdits orifices, de manière à drainer l'huile recueillie par ladite paroi périphérique vers lesdits orifices. [0012] Les motifs en creux guident les gouttelettes d'huiles captées par la paroi périphérique 3 vers les orifices d'évacuation et évitent ainsi la création de poches d'huile le long de cette paroi. De plus, ils créent des zones où l'huile plaquée contre la paroi et en cours d'évacuation est relativement protégée du flux d'air principal dans l'enceinte et limitent ainsi le risque que cette huile soit ré-entraînée vers la sortie de mélange déshuilé. [0013] De préférence, l'enceinte est répartie en une rangée annulaire de compartiments séparés par des parois longitudinales, ladite paroi périphérique comportant au moins un orifice dans chaque compartiment. [0014] Les parois longitudinales, parallèles à l'axe de symétrie, s'étendent radialement. Elles forment des ailettes qui entraînent le mélange d'air et d'huile en rotation dans l'enceinte. La séparation de l'enceinte en une pluralité de compartiments optimise le rendement du dégazeur pour une séparation par centrifugation. [0015] Préférentiellement, chaque compartiment comporte une pluralité d'orifices, po- sitionnés en des points où la distance radiale de la surface radialement interne de ladite paroi périphérique présente un maximum. [0016] La distance radiale étant la distance à l'axe de symétrie autour duquel tourne l'ensemble, c'est naturellement vers ces points que se dirigent les gouttelettes d'huiles captées par la paroi périphérique en rotation. [0017] La surface radialement interne de ladite paroi périphérique peut présenter des on- dulations dans le sens circonférentiel et/ou axial à l'intérieur de chaque compartiment. [0018] Le pas desdites ondulations et/ou leur amplitude radiale peuvent évoluer en fonction de la location axiale. [0019] Le pas desdites ondulations et/ou leur amplitude radiale peuvent évoluer en fonction de la location circonférentielle à l'intérieur de chaque compartiment. [0020] Selon un mode de réalisation particulier, la surface radialement interne de ladite paroi périphérique comporte des canaux longitudinaux. [0021] Selon un autre mode de réalisation, éventuellement combinable avec le précédent, la surface radialement interne de ladite paroi périphérique comporte des cuvettes entourant chacune l'embouchure d'un orifice. [0022] Avantageusement, une pièce telle que décrite précédemment est fabriquée d'une seule pièce, par exemple par fabrication additive. La fabrication additive, notamment, correspond à des formes complexes de la paroi périphérique pour optimiser l'efficacité des motifs. [0023] L'invention concerne également un dégazeur centrifuge d'un mélange air/huile de turbomachine comprenant une pièce telle que décrite précédemment, un arbre creux solidaire de ladite pièce et configuré pour recueillir l'air sortant de la sortie radiale interne, et un pignon de mise en rotation de l'ensemble. Brève description des figures [0024] 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 : [0025] [fig.11 la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dégazeur concerné par l'invention, coupé selon un plan de symétrie ; [0026] [fig.21 la figure 2 est une vue schématique en de la pièce mobile du dégazeur de la figure 1, sortie du carter fixe et coupée selon un plan de symétrie ; [0027] [fig.3-41 la figure 3 est une vue en perspective schématique de l'intérieur de la pièce mobile de la figure 2, selon un premier mode de réalisation de l'invention, coupée par un plan transversal ; et la figure 4 montre un détail de la figure 3 ; [0028] [fig.51 la figure 5 montre une vue en perspective schématique d'un compartiment de l'enceinte dc la pièce mobile de la figure 2, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, coupé par un plan transversal ; [0029] [fig.6] la figure 6 montre un schéma de principe de la variation dc forme dc la surface intérieure dc la paroi périphérique dc l'enceinte dc la pièce de la figure 2 réalisée selon l'invention, suivant unc coupe transversale ; et [0030] [fig.7] la figure 7 montre un schéma de principe de la variation dc forme dc la surface intérieure dc la paroi périphérique dc l'enceinte dc la pièce de la figure 2 réalisée selon l'invention, suivant unc coupe axiale. Description détaillée de l'invention 100311 Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. 100321 Un dégazeur utilisant l'invention comprend, tel que représenté sur les figures 1 et 2, une pièce mobile 1 en rotation autour d'un axe longitudinal de symétrie X. Ladite pièce mobile 1 comporte une partie structurelle qui comprend une première coque 2 entourée d'une deuxième coque 3. L'espace entre les deux coques 2, 3, forme une veine 4 de révolution autour de l'axe central de symétrie X, destinée à faire circuler le mélange d'air et d'huile à séparer. 100331 La veine 4 comporte une entrée axiale 5 destinée à rentrée du mélange d'air et d'huile à séparer. Cette entrée axiale 5 correspond à une première extrémité d'une première partie 6 de la veine 4 qui s'étend essentiellement de manière axiale, en vue de centrifuger le mélange. La première partie de veine 6, qui s'étend axialement, fait office d'enceinte de centrifugation car c'est là que la force centrifuge s'exerce avec le plus de force sur le mélange air/huile. Elle est donc appelée enceinte de centrifugation 6 dans la suite de la description. 100341 La veine 4 comprend ici en outre une pluralité de compartiments répartis circonféren- tiellemcnt autour de l'axe de symétrie X. Les compartiments sont formés entre des cloisons longitudinales 7 s'étendant radialement. Avantageusement, ces cloisons longitudinales 7 relient la première 2 et la deuxième coque 3, formant ainsi une liaison qui les solidarise. Chaque compartiment communique avec l'entrée axiale 5 du mélange. [0035] A sa deuxième extrémité axiale, l'enceinte de centrifugation 6 est fermée axialemcnt par une portion 3a de la deuxième coque 3, sensiblement perpendiculaire à l'axe de symétrie X, et comporte une ouverture radiale 9 vers l'axe de symétrie X entre la première 2 et la deuxième coque 3. La deuxième coque 3 forme une paroi 3b radialement externe de l'enceinte de centrifugation 6 qui est sensiblement annulaire, entre l'entrée 5 et la partie 3a de la deuxième coque qui limite axialcment l'enceinte de centrifugation 6 à sa seconde extrémité. L'enceinte de centrifugation 6 comporte une pluralité de sorties radiales 8 d'huile, sous la forme d'orifices traversants ménagés dans la paroi radialement externe 3b et est configurée pour pouvoir évacuer l'huile séparée du mélange par l'effet de la force centrifuge du dégazeur. Chaque compartiment de la veine 4 est relié à une ou plusieurs sortie(s) radiale(s) 8 d'huile. [0036] La première coque 2 forme une paroi radialement interne des compartiments de la veine dans l'enceinte de centrifugation 6. Elle s'arrête axialemcnt avant la portion axiale 3a de la deuxième coque 3, en partant de l'entrée 5 de la veine, pour ménager l'ouverture radiale 9 vers l'intérieur à la seconde extrémité de l'enceinte de centrifugation 6. Sa forme peut être optimisée pour favoriser la séparation de l'huile et pour minimiser les pertes de charge, notamment au niveau du coude formé au niveau de la sortie radiale. Sur l'exemple présenté, la paroi radialement interne est sensiblement annulaire en partant de l'entrée axiale 5 et comporte une extrémité axiale 2a opposée à l'entrée axiale 5 formant un bourrelet ou un plateau circonférentiel arrondi au niveau de la seconde extrémité de l'enceinte de centrifugation 6. Cette forme de l'extrémité axiale 2a de la première coque a tendance à renvoyer le fluide radialement vers l'extérieur au passage du coude formé dans la veine 4 en sortie de l'enceinte de centrifugation 6, de manière à optimiser l'écoulement du flux mélange air/huile. [0037] La veine 4 comporte une deuxième partie 10 qui communique avec l'enceinte de centrifugation 6 par l'ouverture radiale 9 entre la première 2 et la deuxième 3 coques et qui est configurée pour guider le fluide vers une sortie radiale 11 dans un espace cylindrique vide, qui s'étend axialement entre les limites de l'enceinte de centrifugation 7. La première 2 et la deuxième 3 coques forment des colliers 12, 13, qui limitent ledit espace cylindre vide. Ces colliers 12, 13 sont configurés pour relier la pièce 1 à un arbre creux 14, qui entraîne la pièce en rotation. [0038] La pièce 1 est utilisée dans un dégazeur qui comprend un pignon 15 de mise en rotation de la pièce, comprenant lui-même un voile 16. Sur l'exemple présenté, le voile 16 est relié solidairement à la pièce mobile 1 et comprend des ouvertures en regard de 6 l'entrée axiale 5 pour le passage du mélange dans les compartiments de la veine 4. Le voile 16 est également relié solidairement à l'arbre creux 14. [0039] Avantageusement, la pièce 1 est réalisée par une méthode de fabrication additive qui permet de réaliser les formes complexes de l'exemple, notamment en vue de favoriser la séparation des gouttelettes d'huile du mélange tout en minimisant les pertes de charges. La fabrication additive de l'ensemble peut se faire, de manière connue par un procédé de fusion laser contrôlée d'une poudre métallique. Cependant, l'exemple présenté n'est nullement limitatif pour la mise en oeuvre de l'invention et des méthodes de fabrication par usinage ou par fonderie peuvent également être utilisées pour des formes plus conventionnelles de la veine de passage du mélange dans la pièce mobile 1. [0040] Comme indiqué par la flèche FI sur la figure 1, l'air contenant de l'huile entre donc dans la pièce mobile 1 par les ouvertures du voile 16 vers l'entrée axiale 5 des compartiments de l'enceinte de centrifugation 6. Les cloisons longitudinales 7 forment des ailettes qui entraînent en rotation le mélange entrant dans les compartiments adjacents. Par effet de centrifugation, l'huile est évacuée vers l'extérieur de la pièce mobile 1 au travers des orifices 9 comme illustré par les flèches F2. Ensuite, l'air déshuilé ayant traversé l'enceinte de centrifugation 6 arrive dans l'arbre creux 14 par la sortie radiale 11 pour être évacué. [0041] L'huile présente dans le mélange forme un brouillard composé de gouttelettes plus ou moins fines, représentées schématiquement par des points sur les figures 1 et 2. Les gouttelettes sont captées, c'est-à-dire capturées par les cloisons axiales 7 de la pièce 1 en rotation ou collées sur la paroi périphérique 3b de l'enceinte de centrifugation 6. Elles y forment un film d'huile, qui est drainé en cheminant, sous l'effet du centrifuge, le long des parois vers la paroi périphérique 3b. [0042] La paroi périphérique 3b recueille également des gouttelettes centrifugées à l'intérieur du mélange transitant dans chaque compartiment. En fait, toute l'huile séparée du mélange par le dégazeur à l'intérieur de l'enceinte 6 est collectée par ladite paroi périphérique 3b. Il est donc important que cette huile soit drainée efficacement vers les orifices 8 aménagés sur la paroi périphérique 3b pour être éjectée vers l'extérieur du dégazeur. Cela évite qu'une poche d'huile s'accumule contre la paroi extérieure 3b, et que de l'huile risque d'en être arrachée par le flux du mélange puis de partir dans l'arbre creux 14 par la sortie radiale 11, nuisant ainsi à la performance du dégazeur. [0043] Selon l'invention, la surface radialement interne de ladite paroi périphérique 3b comporte des motifs en creux connectés à l'embouchure des orifices 8 d'évacuation, de manière à drainer l'huile recueillie par ladite paroi périphérique 3b vers lesdits orifices 8. 7 [0044] Dans un mode de réalisation particulier, en référence aux figures 3 et 4, la surface interne de la paroi périphérique 3b forme des rainures ou canaux longitudinaux, 17a et 1711, à l'intérieur de chaque compartiment, entre deux parois longitudinales 7. Les orifices 8 d'évacuation sont répartis en rangées axiales au fond de chaque canal, 17a ou 1711, le long de la ligne de distance radiale la plus grande dans le canal. Sur l'exemple présenté, on a dans chaque compartiment un canal central 17a et deux canaux latéraux 1711, situés près de la jonction avec les parois longitudinales 7. Les flèches de la figure 4 illustrent schématiquement le parcours de gouttelettes d'huile qui, une fois arrivées sur la paroi périphérique 3b, sont guidées par effet centrifuge vers le fond des canaux, 17a ou 17b, pour être évacuées par les orifices 8. [0045] Dans un autre mode de réalisation, en référence à la figure 5, les orifices 8 d'évacuation sont aussi répartis en rangées axiales le long de la paroi périphérique 3b dans chaque compartiment, entre deux parois longitudinales 7. Ici, une cuvette 18 entoure chaque orifice 8 sur la surface interne de la paroi périphérique 3b. Chaque cuvette a une forme de portion de sphère creusée dans la surface interne de la paroi 3b. La figure 5 montre un exemple de réalisation où l'utilisation de cuvettes 18 autour des orifices 8 est combinée avec le précédent mode de réalisation. En effet, les cuvettes sphériques 18 sont ici creusées dans le canal central 17a d'une paroi périphérique 3b conformée préalablement comme sur les figures 3 et 4. La flèche présente dans la figure 5 illustre la façon dont une gouttelette d'huile peut être captée vers un orifice 8 par une telle paroi 3b. [0046] Plus généralement, en référence aux figures 6 et 7, la surface interne de la paroi péri- phérique 3b peut présenter des ondulations de forme variables suivant les directions circonférentielles a et axiales R. [0047] En référence à la figure 6, les ondulations de surface dans le sens circonférentiel sont définies par un pas angulaire al et une amplitude entre un rayon maximal RI et un rayon minimal R2. Comme illustré sur la figure, le pas al et les amplitudes (R1-R2) peuvent varier d'un compartiment de l'enceinte à l'autre. Le pas et l'amplitude peuvent aussi varier circonférentiellement et/ou axialement à l'intérieur d'un compartiment, pour tenir compte de la manière dont l'huile an-ive sur la paroi 3b. [0048] En référence à la figure 7, les ondulations de surface dans le sens axial sont définies par un pas longitudinal Li et une amplitude entre un rayon maximal 12'1 et un rayon minimal R'2. Le pas et les amplitudes de l'exemple de la figure 7 peuvent varier dans le sens axial. Le pas et l'amplitude peuvent aussi varier circonférentiellement et/ou axialement à l'intérieur d'un compartiment, pour tenir compte de la manière dont l'huile arrive sur la paroi 3b. [0049] Les orifices 8 se trouvent de préférence en des endroits de rayon maximal sur la surface. Les zones de rayon maximal, 19 ou 20, présentées sur les figures 6 et 7, 8 peuvent former des canaux longitudinaux ou transverses, ou bien des cuvettes en combinant les ondulations dans le sens axial et le sens circonférentiel. De plus, les ondulations peuvent avoir des formes sensiblement sinusoïdales comme sur les figures. Par exemple, si les orifices 8 sont répartis périodiquement sur des lignes longitudinales, comme dans le cas des figures 4 et 5, on peut combiner des ondulations circonférentielles calées sur la position des lignes longitudinales et des ondulations longitudinales calées sur la position longitudinale des orifices pour former des cuvettes centrées sur les orifices. Ces cuvettes, dont le fond est au rayon maximal R'1, sont entourées aux quatre coins par des sommets de rayon minimal R'2 et séparées par des cols entre deux sommets. Les ondulations longitudinales et circonférentielles peuvent aussi avoir des formes évolutives complexes, de manière à reproduire les canaux et/ou cuvettes sphériques présentés sur les figures 4 et 5. [0050] De fait, l'invention ne se limite pas aux exemples reproduits sur les figures. Elle couvre toutes les variations géométriques possibles de la surface interne, telles que : [0051] - une variation de profondeur des canaux ou cuvettes le long de leur implantation cir- conférentielle ou axiale, [0052] - une variation du pas angulaire des ondulations entre deux compartiments ou au sein d'un même compartiment, [0053] - une variation du pas axial entre deux compartiments ou au sein d'un même com- partiment, [0054] - une variation des formes de cuvettes (coniques, semi sphériques, etc...). [0055] L'ensemble des solutions peuvent s'appliquer avec une riche diversité de matière pour former notamment la paroi périphérique 3b : aluminium, acier, plastique, etc... [0056] Par ailleurs, la fabrication additive permet d'obtenir facilement des formes complexes de l'enceinte de centrifugation et en particulier pour la surface interne de la paroi périphérique 3b. 9 REVENDICATIONS[Revendication I] Pièce (1) pour un dégazeur centrifuge d'un mélange air/huile de tur- bomachine, destinée à tourner autour d'un axe longitudinal de symétrie (X), formant une enceinte annulaire (6) de séparation centrifuge dudit mélange, l'enceinte (6) formant une veine de passage de fluide dont une entrée (5) est orientée axialement pour l'alimentation de l'enceinte (6) avec ledit mélange, et dont une première sortie (Il) est orientée radialement vers F intérieur pour la sortie de l'air déshuilé séparé dudit mélange, l'enceinte (6) comportant en outre une paroi périphérique (3b) extérieure de forme générale cylindrique percée d'une pluralité d'orifices (8), destinés à évacuer l'huile séparée dudit mélange vers l'extérieur du dégazeur, caractérisée en ce que la surface radialement interne de ladite paroi périphérique (3b) comporte des motifs en creux connectés à l'embouchure desdits orifices (8), de manière à drainer l'huile recueillie par ladite paroi périphérique vers lesdits orifices. [Revendication 2] Pièce (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte (6) est répartie en une rangée annulaire de compartiments séparés par des parois longitudinales (7), ladite paroi périphérique (3b) comportant au moins un orifice (8) dans chaque compartiment. [Revendication 3] Pièce (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque com- partiment comporte une pluralité d'orifices (8), positionnés en des points où la distance radiale (R) de la surface radialement interne de ladite paroi périphérique (3b) présente un maximum. [Revendication 4] Pièce (1) selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la surface radialement interne de ladite paroi périphérique (3b) présente des ondulations dans le sens circonférentiel et/ou axial à l'intérieur de chaque compartiment. [Revendication 5] Pièce (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le pas desdites ondulations et/ou leur amplitude radiale évoluent en fonction de la location axiale. [Revendication 6] Pièce (1) selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le pas desdites ondulations et/ou leur amplitude radiale évoluent en fonction de la location circonférentielle à l'intérieur de chaque compartiment. [Revendication 7] Pièce (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la surface radialement interne de ladite paroi périphérique (3b) comporte des canaux longitudinaux (17a, 17b). [Revendication 8] Pièce (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la 10 [Revendication 9] [Revendication 10] surface radialemcnt interne de ladite paroi périphérique (3b) comporte des cuvettes (18) entourant chacune l'embouchure d'un orifice (8). Pièce (1) selon l'une des revendications précédentes, fabriquée d'une seule pièce, par exemple par fabrication additive. Dégazeur centrifuge d'un mélange air/huile de turbomachine comprenant une pièce (1) selon l'une des revendications précédentes, un arbre creux (14) solidaire de ladite pièce et configure pour recueillir l'air sortant de la sortie radiale interne (11), et un pignon (15) de mise en rotation de l'ensemble.