Brevet FR3101379A1 — publié le 20210402

La pressurisation d’une enceinte (24) d’un roulement (22) lubrifié est assurée par un circuit de prélèvement d’air provenant de la veine secondaire (13), plutôt que la veine primaire, afin d’obtenir une pression plus importante, suffisant plus facilement à éviter les fuites d’huile, même à des régimes réduits du moteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 PRESSURISATION D’ENCEINTE DE TURBOMACHINE AVEC DE L’AIR PROVENANT DE LA VEINE SECONDAIRE L’invention est relative à la pressurisation d’une enceinte de turbomachine avec de l’air provenant de la veine secondaire, la turbomachine étant à double flux. Toute turbomachine est composée de parties tournantes placées au sein d’une structure fixe. Pour assurer l’interface entre ces parties, on installe des paliers – roulements à billes ou à rouleaux – qui assureront leurs déplacements relatifs. A cause des fortes vitesses de rotation, un graissage des roulements est normalement remplacé par une lubrification continue à l’huile permettant d’évacuer la chaleur produite par les frottements. L’huile étant sujette à l’auto-inflammation, il faut isoler le palier dans un espace qui lui est consacré, dénommé enceinte, où adviendront l’alimentation et la récupération de l’huile. En fonctionnement normal, l’huile ne doit pas pouvoir sortir de ces enceintes aux jonctions des pièces qui les composent, ce qui exposerait à des risques de pollution de la machine ou de l’extérieur, et à des risques de feux sous les disques du rotor, sujets à d’importants échauffements provenant des gaz en aval de la chambre de combustion. Les enceintes sont pour cela fermées par des joints statiques, et par des joints dynamiques entre le stator et le rotor, ou entre deux portions de rotor tournant à des vitesses différentes. Pour empêcher l’huile de sortir de ces joints dynamiques, qui tolèrent par construction un débit de fuite à travers eux, de l’air pressurisé est injecté dans des chambres à la sortie des joints, autour de l’enceinte. Une bonne étanchéité est assurée si la surpression de l’air de pressurisation par rapport à celui de l’enceinte concernée est supérieure à un seuil de fonctionnement associé à chaque joint. La pressurisation est normalement atteinte en exploitant seulement la pressurisation produite en aval d’un compresseur de la turbomachine, normalement le compresseur basse pression, et en prélevant à cet endroit un débit partiel de l’air s’écoulant à travers la turbomachine. Il existe toutefois des circonstances, par exemple aux bas régimes de rotation, où la pressurisation est trop faible pour assurer le différentiel nécessaire à l’étanchéité. Des fuites d’huile peuvent alors survenir et faire encourir les risques mentionnés. L’objet de l’invention est de s’affranchir de ce risque de pressurisation insuffisante d’enceintes à lubrifier, en augmentant cette pressurisation sans recourir à une modification importante des machines existantes. Sous une forme générale, l’invention est relative à une turbomachine (telle qu’un turboréacteur ou un moteur d’avion) comprenant une veine primaire d’écoulement de gaz, une veine secondaire d’écoulement d’air entourant la veine primaire commençant en aval d’un compresseur de la turbomachine qui entraîne l’air de la veine secondaire, et une enceinte de roulement de support d’un arbre de la turbomachine, l’enceinte étant bornée par un joint à débit de fuite qui la sépare d’une chambre ; la turbomachine comprenant un circuit de pressurisation de l’enceinte à travers le joint, caractérisée en ce que ledit circuit relie la chambre à la veine secondaire et s’étend à travers la veine primaire. L’invention est fondée sur la constatation que l’air de la veine secondaire est, à l’endroit des turbines et des enceintes habituellement à pressuriser, à une pression plus importante que l’air prélevé du compresseur basse pression, qui a subi des pertes de charge importantes dans les conduits qui l’ont acheminé à l’enceinte à travers la turbomachine. Cela reste vrai même près de la sortie de la turbomachine à l’endroit où se trouveront souvent les enceintes à pressuriser, à l’arrière des arbres tournants, les pertes de charge de l’air circulant dans la veine secondaire étant, ou pouvant être rendue, modérées. Les pertes de charge à travers le circuit de pressurisation, court, seront elles-mêmes réduites. Le circuit de pressurisation pourra être composé de conduits ou de cavités qui se succéderont sans interposition de moyens qui seraient destinés à créer une étanchéité, une restriction d’écoulement ou une perte de charge : les conditions concrètes d’aménagement peuvent imposer des changements de direction et de section de l’écoulement à travers ces conduits ou cavités, responsables donc de perte de charge, mais sans qu’elles soient recherchées. Le circuit de pressurisation pourra toutefois être de direction essentiellement radiale et régulière, en pratique. Les conduits ou cavités peuvent toutefois être munis d’une ouverture, à l’endroit d’un autre joint dynamique par exemple, menant à un orifice de purge à la veine primaire, qui évacue donc une partie du débit d’air prélevé pour la pressurisation et le réinjecte dans la veine primaire, tout en ventilant les structures adjacentes de la turbomachine pour les refroidir. Selon certaines possibilités de réalisation : - le circuit de pressurisation s’étend en direction principalement radiale de la turbomachine dans un carter d’échappement, raccordé à un carter extérieur de stator de la turbomachine qui entoure la veine secondaire, en aval d’une turbine basse pression de la turbomachine, l’enceinte étant délimitée partiellement par le carter d’échappement, - la turbomachine comprend une deuxième enceinte d’un deuxième roulement de support d’un deuxième arbre de la turbomachine ; et le circuit de pressurisation comprend un prolongement qui s’étend jusqu’à un deuxième joint à débit de fuite, qui sépare ledit prolongement de la deuxième enceinte, - elle comprend un deuxième circuit de pressurisation, originaire de la veine primaire, - ce dernier circuit de pressurisation s’étend devant un joint à débit de fuite au-delà duquel se trouve une deuxième enceinte contenant un deuxième roulement de support d’un arbre de la turbomachine, - il comprend un prolongement menant audit orifice de purge à la veine primaire, - il s’étend, d’après une direction aval de l’écoulement de gaz dans la veine primaire, dans une région centrale de la turbomachine en étant entouré par ladite enceinte, puis à un deuxième orifice de purge à la veine primaire. Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l’invention seront maintenant décrits plus en détail au moyen des figures suivantes, qui en représentent des réalisations données à titre purement illustratif : est une vue générale d’une turbomachine, représente une première réalisation de l’invention, une deuxième réalisation possible de l’invention. On peut brièvement rappeler la structure d’un turboréacteur 1 à double flux au moyen de la figure 1. Il comprend un stator 2 entourant une veine annulaire d’écoulement des gaz dans laquelle s’étendent successivement, d’amont vers l’aval, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une turbine haute pression 5, une turbine basse pression 6. Ces différents ensembles comprennent des aubes fixes assujetties au stator 2 ; des aubes mobiles assujetties à un corps tournant basse pression 7 comprenant un arbre basse pression 8 qui relie les parties tournantes du compresseur basse pression 3 et de la turbine basse pression 6 ensemble ; et des aubes mobiles assujetties à un corps tournant haute pression 9, qui comprennent les parties tournantes du compresseur haute pression 4 et de la turbine haute pression 5, et dont la partie radialement la plus proche de l’axe de rotation du turboréacteur 1 forme un arbre haute pression 10 entourant l’arbre basse pression 8. La veine d’écoulement des gaz porte la référence 11 à l’entrée et est alors unique, mais elle se divise en deux portions concentriques en aval du compresseur basse pression 3, à savoir une veine primaire 12 et une veine secondaire 13 à l’extérieur de la précédente, qu’un carter intermédiaire 14 sépare. La veine secondaire 13 est limitée à l’extérieur par un carter extérieur 15 du stator 2, et la veine primaire 12 est limitée à l’intérieur par les corps tournants 7 et 9. La veine primaire 12 comprend comme de coutume une chambre de combustion 17 entre le compresseur haute pression 4 et la turbine haute pression 5 ; et elle est prolongée par un carter d’échappement 18 en aval de la turbine basse pression 6. Le carter d’échappement 18 s’étend radialement de la veine secondaire 13 à l’extrémité arrière de l’arbre basse pression 8, et il est soutenu par le carter extérieur 15 au moyen de bielles 49 qui traversent la veine secondaire 13. Les arbres basse pression et haute pression 8 et 10 sont soutenus par quatre roulements qui portent les références 19 à 22 d’amont vers l’aval. Le premier roulement 19 est soutenu par un carter inter-compresseurs 23 qui fait partie du stator 2 et s’étend donc entre les compresseurs 3 et 4, en traversant la veine d’entrée 11 sous forme de bras radiaux juste en amont de l’extrémité amont du carter intermédiaire 14 ; ce premier roulement 19 soutient l’arbre basse pression 8 ; le deuxième roulement 20 et lui aussi soutenu par le carter inter-compresseurs 23 et soutient l’arbre haute pression 10 ; le troisième roulement 21 est placé entre l’arbre haute pression 10 et l’arbre basse pression 8, et près du carter d’échappement 18 ; et le quatrième roulement 22 est soutenu par le carter d’échappement 18 et soutient l’extrémité aval de l’arbre basse pression 8. La nécessité d’une lubrification dynamique des roulements par un écoulement continu d’huile intéresse tous les roulements de la machine, mais on portera ici l’attention sur les troisième et quatrième roulements 21 et 22, qui sont en aval de la chambre de combustion 17 et adjacents à des parties chaudes du turboréacteur 1, même si l’invention n’est pas applicable seulement à eux On passe au commentaire de la figure 2. Le quatrième roulement 22 est logé dans une première enceinte 24 lubrifiée à l’huile, et limitée notamment par un premier joint 25 dynamique à débit de fuite, tel qu’un joint à labyrinthe, entre une collerette 26 appartenant au carter d’échappement 18, une portée cylindrique 27 solidaire de l’arbre basse pression 8, et un carter aval 65 solidaire du carter d’échappement 18 et couvrant les corps tournants basse pression 7 et haute pression 9 en aval. Les joints à labyrinthe sont caractérisés par des portions en relief appelées léchettes qui créent des sinuosités et des restrictions à l’écoulement et tolèrent donc des débits de fuite à travers eux, mais dont les pertes de charges nécessaires à les traverser réduisent l’intensité. Le troisième roulement 21 est logé dans une deuxième enceinte 28, limitée par une paire de deuxièmes joints dynamiques à débit de fuite, qui sont disposés entre les corps tournants basse pression et haute pression 7 et 9 (l’un de ces deuxièmes joints dynamiques 51 entoure l’arbre basse pression 8 et est entouré par une extrémité 52 de l’arbre haute pression 10 ; l’autre des deuxièmes joints dynamiques 53, presque concentrique au précédent, entoure ladite extrémité 52 et est entouré par une cloison 54 appartenant au corps basse pression 7). La première enceinte 24 et la deuxième enceinte 28 sont localement séparées seulement par une cloison 43 située axialement entre les roulements 21 et 22 et radialement approximativement à leur niveau ; elles communiquent toutefois l’une à l’autre par des passages 56 traversant la cloison 43 et sont donc à la même pression. Selon l’invention, une chambre 30, qui s’étend de l’autre côté du premier joint 25 que la première enceinte 24, communique à la veine secondaire 13 par un circuit de pressurisation 31 par prélèvement d’air comprenant, à partir d’un orifice 32 de prélèvement d’air débouchant dans la veine secondaire 13, des cavités ou des tuyauteries qui permettent d’amener un débit d’air prélevé de la veine secondaire 13 jusqu’à la première chambre 30 sans perte de charge importante. Le flux d’air prélevé porte la référence 29. Le circuit de pressurisation 31 consiste en un simple conduit d’acheminement d’air, dépourvu de moyen actif de pompage par exemple. Il peut comprendre des irrégularités telles que des variations de section de passage de l’air, des changements d’orientation coudés ou non, mais il est dépourvu de dispositifs tels que des joints à labyrinthe, dont l’effet recherché serait de créer volontairement une perte de charge ou une restriction du débit. Il pourra toutefois avantageusement, pour réduire ces pertes de charge, avoir une forme et une direction assez régulières. Il pourra alors s’étendre essentiellement en direction radiale à l’intérieur du carter d’échappement 18 qui offre une liberté d’aménagement relativement importante. Il a été établi que l’air prélevé de la veine secondaire 13 était à une pression suffisante pour pressuriser la première enceinte 24 à tous les régimes du turboréacteur 1, cet air subissant des pertes de charge modérées à partir de l’entrée dans la veine secondaire 13 en aval du compresseur basse pression 3. Le circuit de pressurisation 31 traverse la veine primaire 12 sous forme ou à l’intérieur de bras radiaux 33 profilés ou carénés de manière à ne pas perturber l’écoulement. Une circulation d’air y est entretenue par une ouverture, telle qu’à un troisième joint 34 dynamique à labyrinthe, établi à une jonction d’une portion 35, solidaire du carter d’échappement 18, du circuit de pressurisation 31, et d’une portion 36 solidaire de l’arbre basse pression 8. Le troisième joint 34 délimite la chambre 30 comme le premier joint 25, dont il est proche. L’air traverse le troisième joint 34 de la chambre 30 à un circuit de purge 41 qui le rejette par un orifice 42 dans la veine primaire 12 à la sortie de la turbine basse pression 6, où le gaz d’écoulement est détendu quasiment à la pression ambiante. L’air de purge permet de ventiler, c’est-à-dire de rafraîchir, les structures du rotor 1 qu’il traverse. L’écoulement de purge porte la référence 57 et le circuit de purge 41 comprend deux chambres 58 et 59 successives entre le troisième joint 34 et l’orifice 42, qu’un joint d’étanchéité 60 à labyrinthe sépare pour limiter le débit de purge. Les chambres 58 et 59 sont délimitées par des cloisons du stator et des cloisons du corps tournant basse pression 7, dont la cloison 43 et un disque 61 porteur d’aubes mobiles. Il est à noter que des boulons 62 de fixation du disque 61 à la cloison 43 sont munis de rondelles d’étanchéité 63 qui suppriment les fuites à cet endroit. Les boulons 62 servent aussi à fixer un anneau 64 porteur d’une partie du joint d’étanchéité 60, dont la partie complémentaire est portée par le stator. Un deuxième circuit de pressurisation 37 par prélèvement d’air est présent. Il est originaire d’un orifice 50 (à la figure 1) situé à un étage intermédiaire du compresseur basse pression 3, pour y prélever un débit partiel d’air de la veine d’entrée 11 à la pression de cet endroit. Le flux correspondant est référencé par 66. Il passe notamment entre les arbres tournants 8 et 10 et sert à pressuriser la deuxième enceinte 28 en laissant un débit d’air passer devant les deuxièmes joints 51 et 53. Un inconvénient possible de ce deuxième circuit de pressurisation 37 est qu’il communiquera dans bien des cas une pression inférieure à celle du premier circuit de prélèvement 31, puisque les pertes de charge dans le deuxième circuit de pressurisation 37 sont généralement plus importantes que dans la veine secondaire 13 et le premier circuit de pressurisation 31 : cela s’explique parce que le deuxième circuit de pressurisation 37 est long et de forme irrégulière, alors que la veine secondaire 13 peut être construite avec un profil lisse et être pourvue seulement de peu d’équipements faisant obstacle à l’écoulement, et que le premier circuit de pressurisation 31 est court et que sa direction et sa section peuvent être assez uniformes. Il peut toutefois se révéler utile de pressuriser les enceintes 24 et 28, qui communiquent ici entre elles, par deux circuits différents. Le deuxième circuit de pressurisation 37 comprend un prolongement 38 passant à travers une portion 39 de l’arbre haute pression 10, puis à l’intérieur de la structure de l’arbre basse pression 8 par un conduit 40 passant autour de la cloison 54, pour aboutir à l’entrée du circuit de purge 41 devant le troisième joint 34 après avoir traversé une ouverture 55 de la cloison 43, et s’ajouter au débit passant par le troisième joint 34. Le raccord entre les parois du prolongement 38 et du conduit 40 est obtenu par le deuxième joint d’étanchéité 53 extérieur, et par un autre joint 67 à labyrinthe, qui entoure le précédent et tolère seulement un petit débit de fuite à travers lui. Une portion du prolongement 38 forme une chambre de pressurisation que le joint 29 sépare de l’enceinte 28. Le flux 66 prélevé par le deuxième circuit de pressurisation 37 n’arrive pas dans la chambre 30, puisqu’il ne franchit pas le troisième joint 34 et qu’il est donc retenu dans le circuit de purge 41. On passe maintenant à la description de la figure 3. Elle diffère de la précédente en ce que le circuit de pressurisation 31 d’air de la veine secondaire 13 est aussi affecté à la pressurisation de la deuxième enceinte 28 et applique donc l’enseignement de l’invention pour réduire ou éliminer les fuites d’huile aussi hors de cette deuxième enceinte 28. Le prolongement 38 est alors raccordé au premier circuit de pressurisation 31 plutôt qu’au deuxième circuit de pressurisation 37, ce qu’on réalise en faisant communiquer la chambre 30 avec le prolongement 38, la cloison 44 étant remplacée par une cloison 45 qui ne se raccorde plus à la portée cylindrique 27, mais à la cloison 43 du corps tournant basse pression 7, à un rayon supérieur, qui permet de faire communiquer le prolongement 38 du deuxième circuit de pressurisation 37 et la chambre 30, à travers l’ouverture 55, qu’entoure la cloison 45 de cette réalisation. Un quatrième joint 46 dynamique, à labyrinthe, doit être ajouté pour couper la communication entre le deuxième circuit de pressurisation 37 et le prolongement 38. L’air originaire de la veine secondaire 13 et passant par le premier circuit de pressurisation 31 arrive donc devant le deuxième joint 29 (selon le flux 68). La ventilation offerte par le deuxième circuit de pressurisation 37 peut être maintenue en le dirigeant dans un conduit 47 qui passe près de l’axe du rotor, à l’intérieur de l’arbre basse pression 8, et aboutit à un orifice de purge 48 dans la veine primaire 12 en aval du carter d’échappement 8 (le flux modifié porte la référence 69). Une ventilation des structures chaudes traversées par le conduit 47 est alors faite. Turbomachine comprenant une veine primaire (12) d’écoulement de gaz, une veine secondaire (13) d’écoulement d’air entourant la veine primaire (12) et commençant en aval d’un compresseur (3) de la turbomachine, et une enceinte (24) de roulement (22) de support d’un arbre (8) de la turbomachine, l’enceinte étant bornée par un joint (25) à débit de fuite qui la sépare d’une chambre (30) ; la turbomachine comprenant un circuit de pressurisation (31) de l’enceinte (24) à travers le joint (25), caractérisée en ce que ledit circuit relie la chambre (30) à la veine secondaire (13) et s’étend à travers la veine primaire (12). Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit circuit est composé de conduits ou de cavités se succédant sans interposition de moyens destinés à créer une étanchéité, une restriction d’écoulement ou une perte de charge. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit de pressurisation (31) s’étend en direction principalement radiale de la turbomachine dans un carter d’échappement (18), raccordé (49) à un carter extérieur (15) de stator de la turbomachine qui entoure la veine secondaire (13) en aval d’une turbine basse pression (6) de la turbomachine, l’enceinte (24) étant délimitée partiellement par le carter d’échappement (18). Turbomachine selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le circuit de pressurisation (31) est muni d’une ouverture (34) menant à un orifice de purge (42) à la veine primaire (12). Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comprend une deuxième enceinte (28) d’un deuxième roulement (21) de support d’un deuxième arbre (10) de la turbomachine ; et le circuit de pressurisation comprend un prolongement (38) qui s’étend jusqu’à un deuxième joint à débit de fuite (29), qui sépare ledit prolongement (38) de la deuxième enceinte (28). Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comprend un deuxième circuit de pressurisation (37), originaire de la veine primaire (12). Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée en ce que le deuxième circuit de pressurisation s’étend devant un joint à débit de fuite (29) au-delà duquel se trouve une deuxième enceinte (28) contenant un deuxième roulement (21) de support d’un arbre de la turbomachine. Turbomachine selon les revendications 4 et 7, caractérisée en ce que le deuxième circuit de pressurisation comprend un prolongement (38) menant audit orifice de purge (42) à la veine primaire (12). Turbomachine selon les revendications 5 et 6, caractérisée en ce que le deuxième circuit de pressurisation s’étend, d’après une direction aval de l’écoulement de gaz dans la veine primaire, dans une région centrale de la turbomachine en étant entouré par ladite enceinte (24), puis à un deuxième orifice (48) de purge à la veine primaire. Turbomachine selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite deuxième enceinte (28) et ladite enceinte (24) communiquent entre elles.