Brevet FR3101684A1 — publié le 20210409

Dispositif amélioré de lubrification et de refroidissement pour roulements de turbomachine d’aéronef Dispositif de lubrification et de refroidissement pour roulements de turbomachine d’aéronef, comprenant un circuit amont (10) prélevant un liquide de travail dans un réservoir (50) et l’acheminant jusqu’à un embranchement, un circuit de refroidissement (20) comprenant une première extrémité (22a) connectée à l’embranchement, et une deuxième extrémité (22b) d’évacuation, le circuit de refroidissement (20) étant configuré pour entourer au moins partiellement une bague extérieure d’au moins un roulement (1b) disposé en aval de l’embranchement, en étant en contact avec ladite bague extérieure de sorte à refroidir ledit roulement (1b), et un circuit de lubrification (11) distinct du circuit de refroidissement (20), comprenant une première extrémité (11a) connectée à l’embranchement, et au moins une deuxième extrémité (11b) d’injection pour injecter le fluide de travail sur ledit roulement (1b) de sorte à lubrifier ledit roulement (1b), le circuit de refroidissement (20) et le circuit de lubrification (11) étant en communication fluidique avec le circuit amont (10) par l’intermédiaire de l’embranchement. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Dispositif amélioré de lubrification et de refroidissement pour roulements de turbomachine d’aéronef Le présent exposé concerne le domaine des éléments mécaniques tournants des turbomachines d’aéronef. Plus précisément, le présent exposé concerne un dispositif de lubrification et de refroidissement de roulements mécaniques de turbomachine, et une turbomachine comprenant un tel dispositif. De manière connue, les turbomachines d’aéronef comprennent un boîtier d’entraînement de plusieurs accessoires de la turbine ou d'équipements annexes, tels que notamment diverses pompes pour la production d'énergie hydraulique, l'alimentation en carburant, la lubrification, des générateurs électriques pour la production de puissance électrique, etc. Un tel boîtier est communément appelé AGB pour « Accessory GearBox » en anglais. De façon connue en soi, ce boîtier comporte un ou plusieurs trains d'engrenages ayant chacun plusieurs roues dentées et qui sont entraînés en rotation par un arbre de transmission de puissance, ce dernier étant couplé à un arbre de la turbine. Chaque accessoire est généralement monté contre l'une des faces latérales du boîtier et comporte un arbre d'alimentation venant se coupler sur l'une des roues dentées du ou des trains d'engrenages. Lors du fonctionnement de la turbine, une partie de la puissance mécanique générée est prélevée sur l'arbre de turbine et transmise via l'arbre de transmission de puissance et les trains d'engrenages aux différents accessoires montés sur le boîtier pour les actionner. Un tel boîtier d’entraînement est par exemple décrit dans le document FR2928696. Par ailleurs, chaque arbre portant une roue dentée est supporté et guidé en rotation par deux paliers de roulement, ces roulements étant fixés sur un support solidaire d’un bord périphérique du boîtier. En particulier, ces roulements mécaniques comprennent une bague extérieure fixée au boîtier, et une bague intérieure fixée à un arbre tournant portant une roue dentée. La bague intérieure tourne à l’intérieur de la bague extérieur par l’intermédiaire d’éléments roulants, par exemple des billes ou des rouleaux. Ces éléments mécaniques tournants nécessitent d’être lubrifiés et refroidis. Dans les architectures connues, un circuit de lubrification et de refroidissement alimente une série de jets, projetant de l’huile sur les roulements. Cette huile permet à la fois la lubrification et le refroidissement de ces éléments. L’huile ainsi projetée dans l’enceinte du boîtier est ensuite collectée et aspirée en partie basse de l’enceinte du boîtier. La projection d’huile dans l’enceinte du boîtier génère en outre un brouillard d’huile, ce dernier devant être traité par un déshuileur. Cependant, ce traitement engendre une consommation d’huile non souhaitée. Par ailleurs, l’aération de l’huile chaude contribue à son vieillissement et aux dégradations de ses performances. De plus, lors des phases de démarrage de la turbomachine, un fonctionnement sans huile apparait le temps que le système d’huile s’amorce. Il existe donc un besoin pour une architecture de turbine permettant de palier au moins en partie les inconvénients mentionnés ci-dessus. Le présent exposé concerne un dispositif de lubrification et de refroidissement pour roulement de turbomachine d’aéronef, comprenant : - un circuit amont configuré pour prélever un liquide de travail dans un réservoir et l’acheminer jusqu’à un embranchement, - un circuit de refroidissement comprenant une première extrémité connectée à l’embranchement, et une deuxième extrémité d’évacuation, le circuit de refroidissement étant configuré pour entourer au moins partiellement une bague extérieure d’au moins un roulement disposé en aval de l’embranchement, en étant en contact avec ladite bague extérieure de sorte à refroidir ledit roulement, - un circuit de lubrification distinct du circuit de refroidissement, comprenant une première extrémité connectée à l’embranchement, et au moins une deuxième extrémité d’injection configuré pour injecter le fluide de travail sur ledit au moins un roulement de sorte à lubrifier ledit roulement, le circuit de refroidissement et le circuit de lubrification étant en communication fluidique avec le circuit amont par l’intermédiaire de l’embranchement. Dans le présent exposé, les termes « amont » et « aval » sont considérés selon le sens de l’écoulement du liquide de travail dans le dispositif, depuis son prélèvement dans le réservoir, jusqu’à son retour dans ce dernier. Le liquide de travail est un liquide adapté pour la lubrification d’éléments mécaniques tournants, permettant également leur refroidissement. Dans certains modes de réalisation, le liquide de travail est une huile de lubrification. Le dispositif peut comprendre en outre une pompe disposée en aval du réservoir contenant l’huile, et permettant la mise en circulation de l’huile dans les différents circuits du dispositif. Ainsi, l’huile prélevée dans le réservoir s’écoule dans un premier temps dans le circuit amont, jusqu’à l’embranchement. A l’embranchement, le débit d’huile provenant du circuit amont est alors séparé, et réparti entre le circuit de refroidissement et le circuit de lubrification. Le circuit de refroidissement et le circuit de lubrification sont en parallèle l’un de l’autre. Le circuit de refroidissement peut comprendre un conduit ayant une surface en contact avec la bague extérieure d’un roulement, permettant des échanges thermiques avec ladite bague extérieure. Le circuit de refroidissement agit ainsi comme un échangeur thermique, par l’intermédiaire de l’huile s’écoulant dans ce dernier, permettant le refroidissement du roulement. La deuxième extrémité d’injection du circuit de lubrification est disposée de préférence en vis-à-vis des éléments roulants du roulement, de manière à injecter directement l’huile sur ces éléments. Le circuit de lubrification permet ainsi la lubrification du ou des roulements. Le fait de disposer un embranchement en amont du roulement à lubrifier et à refroidir, permet de dissocier les débits nécessaires à la lubrification et au refroidissement de ce roulement, par l’intermédiaire du circuit de lubrification et du circuit de refroidissement, ces deux circuits étant distincts. L’huile utilisée pour refroidir le roulement n’est ainsi pas injectée sur le roulement, mais est évacuée via la deuxième extrémité d’évacuation. Cela permet notamment de réduire le brouillard de liquide de refroidissement, et ainsi de limiter les consommations d’huile non souhaitées. Le volume d’huile chaude aérée, lors de l’injection, étant par ailleurs diminué, le vieillissement de cette huile est ainsi limité, et ses performances sont améliorées. Le fait de dissocier ces deux circuits offre en outre la possibilité de réguler le débit nécessaire pour le refroidissement, et de pouvoir refroidir les roulements que lorsque cela est nécessaire. En effet, lors des phases de démarrage, les roulements doivent être lubrifiés, mais la nécessité de refroidissement de ces roulements est encore faible, voire nulle. Il est ainsi possible d’ajuster au besoin les débits d’huile nécessaires à la lubrification et au refroidissement des roulements. Dans certains modes de réalisation, l’embranchement comprend un moyen de répartition configuré pour répartir le débit de liquide de travail entre le circuit de refroidissement et le circuit de lubrification. Il est ainsi possible d’ajuster au besoin les débits de liquide. En particulier, il est possible de couper l’alimentation en huile du circuit de refroidissement en phase de démarrage de la turbomachine. En effet, en phase de démarrage, lors des premières rotations des éléments tournants, les roulements ont besoin d’être lubrifiés, mais les besoins en refroidissement sont encore faibles. Selon cette configuration, le débit d’huile peut être alors utilisé essentiellement pour la lubrification des roulements lors de ces phases de démarrage, ce débit contribuant dans une moindre mesure au refroidissement de ces roulements. Il est ainsi possible de réduire le temps d’amorçage du circuit de lubrification, et donc de diminuer le temps de fonctionnement sans huile du dispositif. Dans certains modes de réalisation, le moyen de répartition est une électrovanne configurée pour être contrôlée par un calculateur. L’électrovanne permet d’ouvrir ou de fermer le circuit de refroidissement ou le circuit de lubrification, ou de réguler le débit d’huile s’écoulant dans ces circuits, en étant commandé par le calculateur. En particulier, le dispositif peut également comprendre des capteurs de températures connectés au calculateur, l’ouverture ou la fermeture de l’électrovanne étant ainsi réalisée en fonction des températures relevées. Cela permet d’automatiser la régulation du débit d’huile dans le dispositif, notamment dans le circuit de refroidissement, en fonction de la température, et ainsi d’améliorer encore la répartition des débits d’huile. Dans certains modes de réalisation, le moyen de répartition est un clapet thermostatique configuré pour adopter une première position permettant l’alimentation du circuit de lubrification uniquement lorsque le fluide de travail est à une première température, et pour adopter une deuxième position permettant l’alimentation du circuit de lubrification et du circuit de refroidissement lorsque le fluide de travail est à une deuxième température, la deuxième température étant supérieure à la première température. L’augmentation de la température du fluide de travail, notamment de l’huile, est caractéristique d’une augmentation de la température du roulement sur lequel l’huile est injectée au cours de son trajet dans le dispositif. Cette augmentation de la température de l’huile indique ainsi la nécessité de refroidir le roulement, et donc de modifier la position du clapet thermostatique de la première position à la deuxième position automatiquement, pour permettre à l’huile de s’écouler dans le circuit de refroidissement. La deuxième température peut être une température seuil prédéterminée permettant l’ouverture automatique dudit clapet, et peut être déterminée de préférence de manière à être encore suffisamment inférieure à la température du roulement, de manière à assurer un refroidissement efficace de ce dernier. L’utilisation d’un clapet thermostatique permet d’automatiser la régulation des débits d’huile s’écoulant dans le circuit de refroidissement et le circuit de lubrification, sans avoir recours à des éléments additionnels tels que des capteurs de températures ou un calculateur, simplifiant ainsi davantage le dispositif. Dans certains modes de réalisation, le dispositif comprend un récupérateur de fluide de travail disposé sous le au moins un roulement et configuré pour récupérer le fluide de travail ayant été injecté sur le roulement et s’écoulant par gravité dans le récupérateur, le récupérateur comprenant, dans sa partie inférieure, un orifice d’évacuation de liquide de travail en communication fluidique avec le réservoir par l’intermédiaire d’un circuit aval. Le terme « sous » se comprend suivant la direction verticale, c’est-à-dire la direction de la gravité. En effet, le fluide de travail, notamment l’huile, après avoir été injectée sur le ou les roulements, s’écoule naturellement vers le bas sous son propre poids, et est alors réceptionnée par le récupérateur, disposé sous le ou les roulements. Le récupérateur peut par exemple être la partie inférieure du boîtier d’entraînement dans lequel se trouvent le ou les roulements. L’huile récupérée dans le récupérateur peut alors être évacuée par l’orifice d’évacuation faisant ainsi office de siphon dans la partie inférieure du récupérateur. Le circuit aval, mettant en communication fluide l’orifice d’évacuation et le réservoir, permet alors le retour de l’huile évacuée jusqu’au réservoir. Dans certains modes de réalisation, le circuit aval comprend un moyen d’aspiration configuré pour aspirer le liquide de travail présent dans le récupérateur via l’orifice d’évacuation. Le moyen d’aspiration peut être une pompe disposée sur le circuit aval. Il est ainsi possible de limiter le temps nécessaire à l’huile pour s’écouler jusqu’au fond du récepteur, limitant ainsi la génération de brouillard d’huile et l’aération de l’huile, donc le vieillissement de celle-ci. Dans certains modes de réalisation, la deuxième extrémité d’évacuation du circuit de refroidissement débouche dans la partie inférieure du récupérateur à proximité de l’orifice d’évacuation. Par « à proximité de l’orifice d’évacuation », on comprend que la deuxième extrémité d’évacuation, qui est une extrémité libre, est disposée plus proche de l’orifice d’évacuation que du roulement refroidi par le circuit de refroidissement. Une distance maximale entre la deuxième extrémité d’évacuation et l’orifice d’évacuation est de préférence inférieure à 10 cm, de préférence encore inférieure à 5 cm. Selon cette configuration, lorsque l’huile s’étant écoulée dans le circuit de refroidissement et ayant permis le refroidissement du roulement est évacuée par la deuxième extrémité d’évacuation, cette huile s’écoule alors directement dans le récupérateur et dans l’orifice d’évacuation. En d’autres termes, son temps de passage à l’air libre, c’est-à-dire à l’extérieur du circuit de refroidissement et du circuit aval, est ainsi limité. Ce temps de passage peut être en outre davantage limité par la présence du moyen d’aspiration. Par conséquent, le débit d’huile utilisé pour le refroidissement du roulement n’est pas éjecté dans l’enceinte du boîtier comprenant le roulement, mais est directement renvoyé vers le réservoir. Cela permet de limiter davantage la génération de brouillard d’huile et donc de réduire la consommation d’huile. L’aération de l’huile est également réduite, limitant ainsi son vieillissement et améliorant par conséquent ses performances. Dans certains modes de réalisation, la deuxième extrémité d’évacuation du circuit de refroidissement débouche dans le réservoir. Selon cette configuration, la deuxième extrémité d’évacuation n’est pas une extrémité libre, mais débouche dans le réservoir, par exemple en étant connectée directement sur le réservoir, permettant l’évacuation de l’huile ayant permis le refroidissement du roulement, directement dans le réservoir. Il est ainsi possible de limiter davantage la génération de brouillard d’huile et l’aération de l’huile. Dans certains modes de réalisation, le circuit de refroidissement comprend, entre la première extrémité et la deuxième extrémité d’évacuation, une pluralité de branches en parallèle l’une de l’autre, chaque branche étant configurée pour entourer au moins partiellement une bague extérieure d’un roulement respectif en étant en contact avec ladite bague extérieure de sorte à refroidir le roulement respectif. De préférence, le circuit de refroidissement comprend autant de branches en parallèles les unes des autres, que le nombre de roulements devant être refroidis. Le débit d’huile provenant du circuit amont et de l’embranchement, et s’écoulant dans une portion amont du circuit de refroidissement, est alors réparti dans les différentes branches parallèles dudit circuit de refroidissement, par l’intermédiaire d’un deuxième embranchement disposé en amont des roulements. Les débits d’huile circulant dans chacune de ces branches est ensuite évacué via la deuxième extrémité d’évacuation du circuit de refroidissement. Il est ainsi possible de refroidir simultanément plusieurs roulements par l’intermédiaire du circuit de refroidissement. Dans certains modes de réalisation, le circuit de lubrification comprend une pluralité de deuxièmes extrémités d’injection, chaque deuxième extrémité d’injection étant configurée pour injecter le fluide de travail sur ledit roulement respectif de sorte à lubrifier ledit roulement respectif. Le circuit de lubrification peut également comprendre une pluralité de branches disposées soit en série, soit en parallèle les unes des autres, permettant ainsi de lubrifier plusieurs roulement. Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant le dispositif selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un train d’engrenages ayant une pluralité d’engrenages, chaque engrenage étant porté par un arbre tournant, chaque arbre étant guidé en rotation par au moins deux roulements, le dispositif de lubrification et de refroidissement étant configuré pour lubrifier les roulements et les engrenages du train d’engrenages. L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : la figure 1 représente un dispositif de refroidissement et de lubrification de roulements mécaniques de turbomachine d’aéronef selon l’art antérieur, la figure 2 représente un dispositif de refroidissement et de lubrification de roulements mécaniques de turbomachine d’aéronef selon le présent exposé, la figure 3A représente une vue détaillée d’une extrémité d’une branche du dispositif de refroidissement et de lubrification de la figure 1, et la figure 3B représente une vue détaillée d’une extrémité d’une branche du circuit de lubrification de la figure 2, la figure 4 représente une vue en perspective d’une portion d’un boîtier d’entraînement comprenant un dispositif de refroidissement et de lubrification selon un premier mode de réalisation du présent exposé, la figure 5 représente une vue en perspective d’une portion d’un boîtier d’entraînement comprenant un dispositif de refroidissement et de lubrification selon un deuxième mode de réalisation du présent exposé. Dispositif de lubrification et de refroidissement pour roulements de turbomachine d’aéronef, comprenant : - un circuit amont (10) configuré pour prélever un liquide de travail dans un réservoir (50) et l’acheminer jusqu’à un embranchement, - un circuit de refroidissement (20) comprenant une première extrémité (22a) connectée à l’embranchement, et une deuxième extrémité (22b) d’évacuation, le circuit de refroidissement (20) étant configuré pour entourer au moins partiellement une bague extérieure (1b1) d’au moins un roulement (1b) disposé en aval de l’embranchement, en étant en contact avec ladite bague extérieure (1b1) de sorte à refroidir ledit roulement (1b), - un circuit de lubrification (11) distinct du circuit de refroidissement (20), comprenant une première extrémité (11a) connectée à l’embranchement, et au moins une deuxième extrémité (11b) d’injection configuré pour injecter le fluide de travail sur ledit au moins un roulement (1b) de sorte à lubrifier ledit roulement (1b), le circuit de refroidissement (20) et le circuit de lubrification (11) étant en communication fluidique avec le circuit amont (10) par l’intermédiaire de l’embranchement. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’embranchement comprend un moyen de répartition (70) configuré pour répartir le débit de liquide de travail entre le circuit de refroidissement (20) et le circuit de lubrification (11). Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le moyen de répartition (70) est une électrovanne configurée pour être contrôlée par un calculateur. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le moyen de répartition (70) est un clapet thermostatique configuré pour adopter une première position permettant l’alimentation du circuit de lubrification uniquement, lorsque le fluide de travail est à une première température, et pour adopter une deuxième position permettant l’alimentation du circuit de lubrification et du circuit de refroidissement lorsque le fluide de travail est à une deuxième température, la deuxième température étant supérieure à la première température. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant un récupérateur (60) de fluide de travail disposé sous le au moins un roulement et configuré pour récupérer le fluide de travail ayant été injecté sur le roulement et s’écoulant par gravité dans le récupérateur (60), le récupérateur (60) comprenant, dans sa partie inférieure, un orifice d’évacuation (61) de liquide de travail en communication fluidique avec le réservoir (50) par l’intermédiaire d’un circuit aval (12). Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le circuit aval (12) comprend un moyen d’aspiration (40) configuré pour aspirer le liquide de travail présent dans le récupérateur (60) via l’orifice d’évacuation (61). Dispositif selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la deuxième extrémité (22b) d’évacuation du circuit de refroidissement (20) débouche dans la partie inférieure du récupérateur (60) à proximité de l’orifice d’évacuation (61). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la deuxième extrémité (22b) d’évacuation du circuit de refroidissement (20) débouche dans le réservoir (50). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le circuit de refroidissement (20) comprend, entre la première extrémité (22a) et la deuxième extrémité (22b) d’évacuation, une pluralité de branches (21) en parallèle l’une de l’autre, chaque branche (21) étant configurée pour entourer au moins partiellement une bague extérieure (1b1) d’un roulement (1b) respectif en étant en contact avec ladite bague extérieure (1b1) de sorte à refroidir ledit roulement (1b) respectif. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le circuit de lubrification (11) comprend une pluralité de deuxièmes extrémités (11b) d’injection, chaque deuxième extrémité d’injection (11b) étant configurée pour injecter le fluide de travail sur ledit roulement (1b) respectif de sorte à lubrifier ledit roulement (1b) respectif. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le liquide de travail est une huile de lubrification. Turbomachine comprenant un dispositif de lubrification et de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes. Turbomachine selon la revendication 12, comprenant un train d’engrenages ayant une pluralité d’engrenages (1, 2, 3), chaque engrenage étant porté par un arbre tournant (1a, 2a, 3a), chaque arbre étant guidé en rotation par au moins deux roulements (1b, 1c, 2b, 2c, 3b, 3c), le dispositif de lubrification et de refroidissement étant configuré pour lubrifier les roulements et les engrenages (1, 2, 3) du train d’engrenages.