FR3011583A1 - Trompe a jet pour depressuriser des enceintes de lubrification d'une turbomachine a injecteurs independants coaxiaux - Google Patents

Abstract

Dispositif de mise en dépression d'au moins une enceinte (El, E2) d'une turbomachine (1) comportant au moins un palier (7, 8) alimenté en huile de lubrification, ledit dispositif comportant au moins un tube de dégazage (10) relié à ladite enceinte, un déshuileur (30) apte à séparer l'huile de l'air et une trompe à jet (11) reliée de manière pneumatique à ladite enceinte, ladite trompe comprenant un tube de trompe (17) dans lequel débouchent un circuit primaire (21) alimenté en un fluide sous pression par une canalisation d'alimentation en fluide et un circuit secondaire (22) raccordé audit déshuileur pour la mise en dépression de l'enceinte, caractérisé en ce que le circuit primaire (21) comporte au moins deux injecteurs (13, 23) en fluide sous pression, les injecteurs étant cylindriques et positionnés dans ledit tube à trompe (11) de façon coaxiale les uns par rapport aux autres

Description

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement celui des enceintes dans lesquelles s'exerce une aspiration d'air, et notamment les enceintes d'huile qui renferment les paliers portant les rotors de ces turbomachines. Une turbomachine d'aéronef comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A chaque compresseur peut correspondre une turbine, les deux étant reliés par un arbre, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. Elle présente généralement deux carters structuraux, un carter dit intermédiaire vers l'avant et un carter dit d'échappement vers l'arrière, qui portent les paliers sur lesquels tournent son ou ses arbres de rotation et ses parties mobiles. Ces paliers sont refroidis classiquement, grâce à des injecteurs judicieusement placés, par de l'huile qui lubrifie en outre les paliers et qui est récupérée dans un réservoir approprié puis recyclée. Les paliers et les divers engrenages du moteur sont généralement placés dans des enceintes, qui doivent être étanches vis à vis de la veine d'air des étages de compresseurs et de turbines pour éviter les pertes d'huile. Le moteur comporte ainsi, par exemple, une enceinte amont au niveau du carter intermédiaire et une enceinte aval au niveau du carter d'échappement. Afin d'éviter des fuites d'huile au travers des joints d'étanchéité aux bornes des enceintes, un écart de pression doit être assuré par rapport aux cavités environnantes et une valeur minimale de cet écart de pression doit ainsi être maintenue à tous les régimes de fonctionnement de la turbomachine. Les cavités environnantes sont pressurisées par de l'air provenant d'un des étages d'un compresseur, qui circule à l'intérieur du moteur pour assurer l'équilibre de ses pressions internes et le refroidissement des parties chaudes. La pression de cet air étant variable en fonction du régime du moteur, il peut être nécessaire, afin d'assurer un écart de pression positif aux bornes des enceintes, de mettre celles-ci en dépression. Pour assurer cette mise en dépression des enceintes renfermant les paliers, on peut utiliser des systèmes de trompe à jet dont le circuit secondaire est branché sur ces enceintes. Ces systèmes fonctionnent sur le principe de l'effet Venturi qui crée une dépression dans un tube par l'envoi dans un circuit, dit primaire, d'un jet de fluide sous pression au travers de ce tube. Ce fluide sous pression peut être de l'air prélevé sur un étage du compresseur haute pression (HP) ou bien de l'huile comme décrit dans la demande de brevet de la demanderesse, déposée le 25 juin 2010 sous le numéro FR1055127. Mais il arrive, notamment au ralenti, que la pression délivrée soit insuffisante pour assurer une dépression correcte. En effet une trompe à jet avec un injecteur primaire qui serait dimensionné pour fonctionner au ralenti conduirait à avoir une trompe à jet surdimensionnée pour le plein gaz. De plus, la trompe à jet n'étant pas dimensionnée pour le plein gaz, son efficacité ne serait pas optimum et le débit primaire prélevé au plein gaz serait trop élevé par rapport à un besoin strictement adapté au plein gaz. Il est donc préférable, afin d'adapter au mieux la dépressurisation des enceintes, de faire varier la puissance de la trompe à jet en fonction du régime moteur. Une solution courante pour cela consiste à moduler le débit primaire de la trompe à jet à l'aide d'une vanne régulée. Mais cette solution comporte plusieurs inconvénients. Tout d'abord cela implique l'utilisation d'une vanne régulée qui est plus coûteuse et plus complexe qu'une vanne tout-ou-rien. Une solution sans vanne régulée a été proposée par la demanderesse, qui a fait l'objet de la demande de brevet PCT/FR2012/052401 déposée le 19 octobre 2012. Une optimisation de la forme et de l'emplacement des injecteurs est toutefois à rechercher et la demanderesse s'est attachée à essayer d'améliorer la situation des dispositifs existants. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau dispositif pour la mise en dépression des enceintes des paliers, qui soit simple et qui présente une efficacité maximale, pour tous les régimes de fonctionnement de la turbomachine. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mise en dépression d'au moins une enceinte d'une turbomachine, ledit dispositif comportant au moins un tube d'aspiration relié à ladite enceinte et une trompe à jet reliée de manière pneumatique à ladite enceinte par ledit tube d'aspiration, ladite trompe comprenant un tube de trompe dans lequel débouchent un circuit primaire alimenté en un fluide sous pression par une canalisation d'alimentation en fluide et un circuit secondaire raccordé audit tube d'aspiration pour la mise en dépression de l'enceinte, caractérisé en ce que le circuit primaire comporte au moins deux injecteurs en fluide sous pression, les injecteurs étant cylindriques et positionnés dans ledit tube à trompe de façon coaxiale les uns par rapport aux autres.

La disposition coaxiale des deux injecteurs offre une meilleure efficacité à la trompe à jet en améliorant l'extraction du brouillard d'huile des enceintes, et ce, avec une pression plus faible que celle demandée pour le fluide de son circuit primaire. Avantageusement un premier injecteur est positionné au centre du tube de trompe, un second étant un injecteur annulaire entourant ledit premier injecteur. Cette disposition optimise là encore le fonctionnement de la trompe à jet. De façon alternative un premier injecteur est positionné au centre du tube de trompe, un second injecteur étant formé par une série d'injecteurs indépendants, répartis de façon régulière ou non, sur la circonférence dudit premier injecteur.

Avantageusement au moins un des injecteurs est alimenté par une canalisation porteuse d'une vanne de réglage de la pression du flux qui la traverse. Plus avantageusement chaque injecteur est alimenté par une canalisation porteuse d'une vanne. Ceci donne plus de flexibilité pour adapter la dépression au régime de vol considéré.

Préférentiellement au moins une desdites vannes est une vanne tout-ou-rien. On obtient ainsi un mode extrêmement simple et peu coûteux de réalisation de l'invention. Dans un mode particulier de réalisation les injecteurs sont des buses coniques convergentes positionnées en extrémité de leur canalisation d'alimentation en fluide sous pression.

Dans un autre mode de réalisation les injecteurs sont des buses biconiques, convergentes-divergentes, positionnées en extrémité de leur canalisation d'alimentation en fluide sous pression. De façon préférentielle les buses ont leur sections de sortie alignées axialement l'une avec l'autre dans le tube de trompe.

De façon plus préférentielle les cônes des buses, qu'elles soient convergentes ou convergentes-divergentes, ont un même angle au sommet. L'invention porte également sur une turbomachine comportant un dispositif, tel que décrit ci-dessus, de mise en dépression d'une enceinte de lubrification d'au moins un des paliers d'un rotor de ladite turbomachine, ladite enceinte étant reliée à ladite trompe à jet par un tube de dégazage destiné à en extraire un brouillard d'huile et sur lequel est installé un déshuileur pour retirer l'huile dudit brouillard. L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue générale en coupe d'une turbomachine ; - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de dépressurisation des enceintes pour la turbomachine de la figure 1, - la figure 3 est une vue de face, en coupe, d'un dispositif de dépressurisation des enceintes de la turbomachine de la figure 1, selon un mode de réalisation de l'invention, En se référant à la figure 1, on voit un turboréacteur 1 qui comporte, de manière classique, une soufflante S, un compresseur basse pression la, un compresseur haute pression lb, une chambre de combustion lc, une turbine haute pression ld, une turbine basse pression le et une tuyère d'échappement. Le compresseur haute pression lb et la turbine haute pression ld sont reliés par un arbre haute pression 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 et forment avec lui un corps basse pression (BP). Les arbres HP et BP s'étendent suivant un axe qui est l'axe de rotation du turboréacteur 1 et dans la suite de la description, les notions de longitudinal ou radial sont relatives à cet axe. La turbomachine 1 comprend également, classiquement, un carter intermédiaire 2 et un carter d'échappement 3 qui soutiennent, entre autres, les paliers des arbres de rotation BP et HP. Ceux-ci sont enfermés respectivement, dans une enceinte amont El rattachée au carter intermédiaire 2, pour les paliers situés en amont du corps HP, et dans une enceinte aval E2 rattachée au carter d'échappement 3, pour les paliers situés en aval du corps HP. Le carter intermédiaire 2 se prolonge en direction de l'axe de rotation par des cloisons qui forment la partie fixe de l'enceinte El, tandis que l'arbre HP 4 et l'arbre BP 5 en forment la partie tournante. Ces deux parties se rejoignent pour former l'enceinte El au niveau de labyrinthes qui tendent à réduire, autant que faire se peut, la circulation d'air entrant dans cette enceinte. L'enceinte El, de même que l'enceinte E2 du carter d'échappement, est reliée vers l'extérieur par une canalisation, non représentée sur la figure, dite de dégazage, par laquelle s'évacue l'air qui a pénétré dans ces enceintes et qui, en sortie, est chargé d'un bouillard d'huile.

A l'intérieur de l'enceinte El on voit les roulements de butée et les paliers des arbres HP et BP qui les supportent, référencés respectivement 7 et 8. Elle renferme également un arbre (non représenté) de prélèvement de puissance sur le rotor BP 5, auquel il est relié classiquement par des pignons, qui a pour objet d'entraîner les accessoires fonctionnant sur le moteur ou de fournir de la puissance aux équipements de l'avion qui en ont besoin. En se référant maintenant à la figure 2 on voit, un schéma classique de circulation de l'air qui a pénétré dans les enceintes El et E2 par les labyrinthes et celui de la circulation de l'huile de lubrification. Les tubes de dégazage 10 des deux enceintes El et E2 sont raccordés à un déshuileur 30 qui a pour fonction de séparer l'air de l'huile, dans le brouillard issu des enceintes. L'huile récupérée est renvoyée directement au réservoir d'huile 12 via une canalisation de retour d'huile 31, tandis que l'air déshuilé est aspiré dans le circuit secondaire 22 d'une trompe à jet 11. Une trompe à jet comporte classiquement un circuit primaire 21, comprenant un injecteur 13 débouchant longitudinalement dans un tube cylindrique, ou préférentiellement a proximité de la partie de plus petite section d'un tube comportant un ensemble convergent-divergent 17. A travers la buse est éjecté un fluide sous pression par le circuit primaire, de façon à créer une dépression au niveau du circuit secondaire. Le circuit secondaire de la trompe est rattaché, au niveau de cette plus petite section, à la cavité que l'on souhaite mettre en dépression. Dans le cas d'une turbomachine utilisant une trompe à jet, le circuit secondaire 22 est relié de manière pneumatique au déshuileur 30, et à travers lui aux enceintes El et E2 par les tubes de dégazage 10. Cela permet de diminuer la pression dans les enceintes pour garantir, d'une part, l'étanchéité et, d'autre part, l'extraction du brouillard d'huile des enceintes El et E2. Pour assurer le fonctionnement de la trompe 11 le circuit primaire 21 est classiquement alimenté par de l'air en provenance d'un étage du compresseur HP. Le circuit de l'huile de lubrification des paliers et des engrenages présents dans les enceintes El et E2 comprend, en partant du réservoir 12, une canalisation de sortie 14 qui débouche dans une pompe d'alimentation en huile 15 où sa pression est augmentée, et une canalisation de distribution 16 qui débouche dans les enceintes El et E2 au niveau de gicleurs qui projettent l'huile sous pression sur les paliers et les engrenages à lubrifier. Il comprend également un circuit de récupération de l'huile qui collecte l'huile usagée et qui la renvoie au réservoir 12. Tel que représenté sur la figure 2, l'huile usagée et le brouillard aspiré dans les enceintes El et E2 sont acheminées par deux canalisations différentes. Le tube de dégazage 10, qui est relié, en sortie du déshuileur 30, au circuit secondaire 22 de la trompe à jet 11, récupère le brouillard aspiré dans les enceintes El et E2 alors que des canalisations spécifiques de récupération 18 sont mises en place sur ces enceintes pour récupérer l'huile usagée. Sur ces canalisations sont installées classiquement des pompes de récupération 19 qui propulsent l'huile récupérée dans le réservoir 12. De façon connue, un échangeur (non représenté) est par ailleurs placé sur le circuit pour refroidir l'huile. La figure 3 montre en coupe, de face, une trompe à jet selon l'invention. Le circuit primaire 21 est alimenté par deux injecteurs cylindriques 13 et 23 qui sont positionnés de façon concentriques et qui débouchent par des buses dans le tube de la trompe à jet 11, et, de façon préférentielle dans le cas d'un tube convergent-divergent 17 comme représenté sur la figure, au niveau de sa partie la plus étroite. Ces buses se terminent par une partie conique convergente, de façon à réduire leur section et, par conséquent, à accélérer la vitesse du fluide du circuit primaire 21 lorsqu'il est injecté dans le convergent-divergent sous l'effet Venturi. Pour une meilleure efficacité aérodynamique les angles au sommet des cônes terminaux sont les mêmes pour les deux buses du circuit primaire. Dans une version alternative de l'invention (non représentée), les buses peuvent avoir la forme d'un convergent-divergent, coaxial avec le convergent-divergent du tube 17, de façon à accélérer encore plus le flux primaire et ainsi donner plus de puissance à la trompe à jet. Là encore les angles au sommet des cônes des parties convergentes et divergentes sont préférentiellement identiques pour les deux buses. Le circuit secondaire 22 est formé par les parois externes du convergent-divergent 17 et est raccordé au déshuileur 30 qui reçoit, par l'intermédiaire des tubes de dégazage 10, le brouillard d'huile aspiré dans les enceintes El et E2 et qui rejette de l'air déshuilé vers la trompe à jet 11. Les deux injecteurs cylindriques sont coaxiaux et imbriqués l'un dans l'autre comme indiqué sur la figure. Le premier injecteur, ou injecteur central 13, est disposé sur l'axe central de la trompe à jet pour une meilleure performance de l'ensemble, alors que le second injecteur 23 a une forme annulaire et est positionné, de façon juxtaposée, autour du premier. Dans le mode de réalisation représenté le second injecteur 23 est formé par un anneau cylindrique entourant l'injecteur central, mais l'invention pourrait tout aussi bien être réalisée avec une série de seconds injecteurs individuels, pour autant que ceux-ci soient positionnés sur tout le pourtour du premier injecteur et, de préférence, en étant régulièrement espacés sur sa circonférence. Dans le mode particulier de réalisation illustré, des vannes tout-ou-rien 20 sont positionnées sur le second injecteur, le premier injecteur étant toujours en service, de façon à simplifier le dispositif De façon alternative ce premier injecteur pourrait, lui aussi, être équipé d'un vanne tout-ou-rien, le second injecteur étant alors toujours en service. Ou bien encore on peut équiper les deux injecteurs d'une vanne tout-ou-rien, donnant ainsi plus de possibilité pour faire fonctionner la trompe à jet et moduler sa puissance en fonction du régime moteur. En choisissant d'alimenter les deux injecteurs de façon indépendante, on obtient la possibilité de fonctionner dans les quatre modes de fonctionnement suivants : -injecteur 1 alimenté, injecteur 2 non alimenté -injecteur 1 non alimenté, injecteur 2 alimenté -injecteur 1 alimenté, injecteur 2 alimenté -injecteur 1 non alimenté, injecteur 2 non alimenté (ce qui correspond au cas de la pompe à jet mise hors service). Dans le cas d'une trompe à jet présentant plusieurs seconds injecteurs disposés autour du premier injecteur central, on peut équiper tous ces seconds injecteurs de vannes tout-ourien et ainsi multiplier le nombre de modes de fonctionnement possibles, en jouant sur le nombre de seconds injecteurs qui sont mis en ou hors service, l'injecteur central étant, lui, toujours alimenté. Dans une version alternative le nombre d'injecteurs coaxiaux peut être supérieur à deux, ces injecteurs étant tous alignés selon l'axe de symétrie du tube 14 de la trompe à jet 11. Un troisième, voire un quatrième, etc. ... injecteur est alors positionné autour de l'injecteur coaxial dont le diamètre lui est immédiatement inférieur.

On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif de mise en dépression des enceintes El et E2 selon l'invention. Afin d'adapter la dépressurisation des enceintes, on utilise une trompe à jet à deux injecteurs indépendants sur le circuit primaire 21, c'est-à-dire qu'ils sont alimentés tous les deux par un fluide dont la pression qui les traverse peut être modulée indépendamment l'un de l'autre. Pour cela, l'un ou l'autre, voire les deux injecteurs, sont alimentés par des canalisations sur lesquelles sont montées des vannes 20 qui permettent de faire varier la pression dans un ou dans les deux injecteurs et ainsi d'adapter la puissance de la trompe à jet, en fonction du besoin et, en particulier, du régime moteur. De façon à simplifier la réalisation du dispositif de commande de la pression dans le convergent-divergent 17, la ou les vannes 20 sont préférentiellement du type "tout-ou-rien" ce qui permet, en activant ou désactivant un des injecteurs, de moduler la puissance de la trompe à jet de façon optimale. Une configuration particulière, qui a l'avantage d'une grande simplicité, consiste à alimenter en permanence un injecteur, c'est-à-dire sans installer de vanne sur sa canalisation d'alimentation, et d'alimenter ou non le second, en fonction du régime moteur, à l'aide d'une vanne tout-ou-rien unique qui est placée sur la canalisation d'alimentation de ce second injecteur. L'invention préconise de choisir pour premier injecteur, un injecteur central 13 et pour second injecteur un injecteur de forme annulaire 23 qui entoure le premier injecteur. Le fait que les axes de chacun des injecteurs se trouvent sur l'axe central de la trompe à jet 11 permet d'optimiser la performance globale du dispositif En effet, la position optimale d'un injecteur étant au centre, un tel dispositif permet donc d'obtenir, pour le premier injecteur 13, une meilleure performance qu'un dispositif dans lequel les injecteurs seraient côte à côte et dont les flux ne seraient pas centrés dans le tube de mélange en aval. La disposition annulaire du second injecteur 23, en le positionnant lui aussi au centre de la trompe à jet, permet là encore et pour les mêmes raisons, d'optimiser la performance globale de son flux. Et, les deux flux étant coaxiaux, leur performance globale est elle aussi optimisée lorsque les deux injecteurs fonctionnent simultanément.

Par ailleurs, de façon préférentielle sans que cette configuration soit essentielle pour la réalisation de l'invention, la buse du second injecteur 23 s'ouvre axialement sensiblement au même niveau que celle du premier injecteur 13, ou immédiatement en amont de celle-ci. Cette position donne les meilleurs résultats aérodynamiques, les flux issus des deux buses étant alors dirigés parallèlement et, de plus, dans une direction qui est, elle même, parallèle à la paroi externe du convergent-divergent 17. L'invention a été décrite dans une application pour le dégazage d'une enceinte de lubrification en huile sous pression d'une enceinte de paliers d'une turbomachine. Il est bien évident qu'elle peut tout aussi bien être mise en oeuvre pour toute enceinte ou cavité d'air à ventiler, comme par exemple le compartiment nacelle d'une turbomachine, pour laquelle il est nécessaire d'assurer une fonction d'aspiration d'un débit de l'air, ou de l'huile, qui s'y trouve.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de mise en dépression d'au moins une enceinte (El, E2) ou cavité d'une turbomachine (1), ledit dispositif comportant au moins un tube d'aspiration (10) relié à ladite enceinte ou cavité et une trompe à jet (11) reliée pneumatiquement à ladite enceinte ou cavité par ledit tube d'aspiration, ladite trompe comprenant un tube de trompe (17) dans lequel débouchent un circuit primaire (21) alimenté en un fluide sous pression par une canalisation d'alimentation en fluide et un circuit secondaire (22) raccordé audit tube d'aspiration pour la mise en dépression de l'enceinte ou de la cavité, caractérisé en ce que le circuit primaire (21) comporte au moins deux injecteurs (13, 23) en fluide sous pression, les injecteurs étant cylindriques et positionnés dans ledit tube à trompe (11) de façon coaxiale les uns par rapport aux autres.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel un premier injecteur (13) est positionné au centre du tube de trompe (17), un second étant un injecteur annulaire (23) entourant ledit premier injecteur.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel un premier injecteur (13) est positionné au centre du tube de trompe (17), un second injecteur (23) étant formé par une série d'injecteurs indépendants, répartis sur la circonférence dudit premier injecteur.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel au moins un des injecteurs (13, 23) est alimenté par une canalisation porteuse d'une vanne (20) de réglage de la pression du flux qui la traverse.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel chaque injecteur est alimenté par une canalisation porteuse d'une vanne (20).
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel au moins une desdites vannes est une vanne tout-ou-rien.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel les injecteurs sont des buses coniques convergentes (13, 23) positionnées en extrémité de leur canalisation d'alimentation en fluide sous pression.
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel les injecteurs sont des buses biconiques, convergentes-divergentes, positionnées en extrémité de leur canalisation d'alimentation en fluide sous pression.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel les buses ont leur sections de sortie alignées axialement l'une avec l'autre dans le tube de trompe (17).
10. 10. Turbomachine comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 de mise en dépression d'une enceinte de lubrification d'au moins un des paliers (7, 8) d'un rotor de ladite turbomachine, ladite enceinte étant reliée à ladite trompe à jet par un tube de dégazage (10) destiné à en extraire un brouillard d'huile et sur lequel est installé un déshuileur (30) pour retirer l'huile dudit brouillard.