FR2938013A1 - Turbomachine a paliers mixtes de support d'arbres. - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à une turbomachine (1), de préférence pour aéronef, comprenant une partie compresseur (2), une chambre de combustion (4), une partie turbine (6), au moins un arbre (10a, 10b) portant les éléments tournants de la partie compresseur et de la partie turbine, ainsi qu'une pluralité de paliers supportant l'arbre. Selon l'invention, la pluralité de paliers comprend un ou plusieurs paliers aérodynamiques (12) ainsi qu'un ou plusieurs paliers à roulements (14), chacun des paliers à roulements (14) étant disposé en amont de la chambre de combustion (4), selon un sens d'écoulement principal des gaz (5) à travers la turbomachine.

Description

TURBOMACHINE A PALIERS MIXTES DE SUPPORT D'ARBRES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte de façon générale au domaine des turbomachines, de préférence pour aéronef, par exemple du type turboréacteur, turbopropulseur, turbomoteur, groupe auxiliaire de puissance (de l'anglais Auxiliary Power Unit ). ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Une turbomachine comprend de manière classique un ou plusieurs arbres portant les éléments tournants des parties compresseur et turbine de cette turbomachine. Habituellement, ces arbres sont guidés par des paliers à roulements espacés axialement les uns des autres, les roulements pouvant être du type à billes ou à rouleaux. Ils nécessitent d'être lubrifiés, généralement par un jet d'huile, en permanence durant le fonctionnement de la turbomachine. Pour ce faire, chaque palier à roulements est agencé dans une enceinte lubrifiée de la turbomachine, dont l'étanchéité est assurée par un système de joints à labyrinthes pressurisé par un prélèvement d'air, généralement effectué sur le compresseur. A cette fin, des joints tournants dits doubles , de conception complexe, sont employés. Comme mentionné ci-dessus, ces paliers à roulements lubrifiés sont espacés axialement les uns de 30 autres, impliquant généralement la présence de l'un ou de plusieurs d'entre eux dans une zone chaude de la turbomachine, à savoir au droit de la chambre de combustion ou en aval de cette chambre, par exemple dans la partie turbine.

Cet agencement engendre une forte exposition du lubrifiant à la chaleur. Il en résulte plusieurs inconvénients, dont notamment celui de la nécessité, dans certains cas, d'implanter un système d'échangeur thermique pour refroidir le lubrifiant, susceptible de se réchauffer considérablement au contact des éléments chauds. De plus, le lubrifiant réchauffé se dégrade rapidement, ce qui a pour effet de multiplier les opérations de maintenance visant à changer le lubrifiant présent dans les cavités logeant les paliers à roulements. En outre, la séparation du mélange air de pressurisation / lubrifiant chaud issu du drainage des cavités est délicate à gérer, et des vapeurs de lubrifiant sont nécessairement émises, impliquant un risque de pollution du circuit d'air de pressurisation de l'aéronef. De l'art antérieur, il est également connu, en particulier du document US 7 251 942 B2, l'utilisation de paliers aérodynamiques pour supporter en rotation les arbres tournants d'un groupe auxiliaire de puissance. Si cette technologie permet de s'affranchir des contraintes de lubrification, elle présente néanmoins l'inconvénient de ne supporter que de faibles charges axiales, et ne peut donc être appliquée aux turbomachines de forte puissance.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur.

Pour ce faire, l'invention a pour objet une turbomachine pour aéronef comprenant une partie compresseur, une chambre de combustion, une partie turbine, au moins un arbre portant les éléments tournants de la partie compresseur et de la partie turbine, ainsi qu'une pluralité de paliers supportant ledit arbre. Selon l'invention, ladite pluralité de paliers comprend un ou plusieurs paliers aérodynamiques ainsi qu'un ou plusieurs paliers à roulements, chacun desdits un ou plusieurs paliers à roulements étant disposé en amont de la chambre de combustion, selon un sens d'écoulement principal des gaz à travers la turbomachine. En d'autres termes, toute la partie chaude de la turbomachine est dépourvue de palier à roulements, puisque ce ou ces paliers se trouvent à présent exclusivement en amont de la chambre de combustion, et encore plus préférentiellement en amont de la partie compresseur où la température est largement plus faible. De ce fait, la lubrification associée à ces paliers à roulements n'est plus pénalisée par une ambiance chaude environnante. Cela permet en particulier de supprimer ou de réduire la taille du système d'échangeur thermique destiné à refroidir le lubrifiant, de limiter la dégradation de ce dernier sous l'effet de la chaleur, et donc de réduire les opérations de maintenance visant à changer 3 le lubrifiant traversant les cavités logeant les paliers à roulements. En outre, il peut également être procédé à la suppression ou à la diminution du séparateur du mélange air de pressurisation / lubrifiant chaud issu du drainage des cavités. Par ailleurs, les vapeurs toxiques de lubrifiant émises sont fortement amoindries, impliquant avantageusement une baisse de la pollution du circuit d'air de pressurisation de l'aéronef.

Par conséquent, l'invention procure, du fait de l'emplacement du ou des paliers à roulements en zone froide de la turbomachine, une diminution de la masse globale, une réduction des coûts de production et de maintenance, une diminution des rejets de vapeur de lubrifiant, une réduction de la consommation de lubrifiant, une meilleure fiabilité de ces roulements, et une diminution de la puissance dissipée dans la circulation du lubrifiant. En outre, le ou les autres paliers aérodynamiques, remplaçant les paliers à roulements traditionnels de la zone chaude de la turbomachine, ne nécessitent pas d'être lubrifiés, et ne requièrent donc aucun équipement relatif à une telle lubrification. Il en résulte par conséquent, par rapport à une solution où seuls des paliers à roulements sont employés, une diminution du nombre de pièces et de la masse globale, une réduction des couts de production et de maintenance, une diminution des rejets de vapeur de lubrifiant, une réduction de la consommation de lubrifiant, et une diminution de la puissance dissipée dans la circulation du lubrifiant. De plus, quand bien même les paliers aérodynamiques sont prévus pour être placés dans des cavités dont l'étanchéité est assurée par un système de joints dynamiques, par exemple du type joints à labyrinthes, ce système étant pressurisé par un prélèvement d'air, ce prélèvement ne nécessite pas d'être aussi conséquent que celui opéré pour assurer l'étanchéité d'une cavité lubrifiée intégrant un palier à roulements, de sorte qu'un autre avantage réside dans la diminution des pertes en air, et donc dans l'augmentation des performances globales de la turbomachine. En outre, les joints dynamiques requis pour assurer l'étanchéité de ces cavités renfermant des paliers aérodynamiques, sont nettement moins complexes et moins encombrants que ceux utilisés pour assurer l'étanchéité vis-à-vis des enceintes lubrifiées. Avec la mixité offerte par la présente invention en matière de paliers supportant le ou les arbres tournants de la turbomachine, les paliers aérodynamiques reprennent essentiellement les charges radiales, tandis que les paliers à roulements reprennent essentiellement les charges axiales. Cette solution se révèle ainsi tout à fait adaptée pour les turbomachines de forte puissance, contrairement aux réalisations de l'art antérieur n'intégrant que des paliers aérodynamiques. De préférence, ladite pluralité de paliers comprend au moins un palier à roulements logé au sein d'une enceinte étanche lubrifiée intégrant une boîte d'engrenages de la turbomachine.

Ainsi, cela permet de partager la gestion de la lubrification avec un autre élément de la turbomachine, à savoir la boîte d'engrenages, connue de l'homme du métier et ayant des fonctions spécifiques en fonction de la nature de la turbomachine concernée. De par le regroupement de cette boîte d'engrenages avec un ou plusieurs paliers à roulements dans une même enceinte étanche lubrifiée, il en résulte une diminution du nombre de pièces et de la masse globale, une réduction des coûts de production et de maintenance, une réduction de la quantité de lubrifiant nécessaire, et une diminution de la puissance dissipée dans la circulation du lubrifiant. En outre, il est de préférence fait en sorte que ladite pluralité de paliers comprend au moins deux paliers à roulements logés dans une même enceinte étanche lubrifiée, par exemple celle intégrant la boîte d'engrenages précitée, ou tout autre enceinte de la turbomachine. Ici encore, il est possible de bénéficier de l'ensemble des avantages qui viennent d'être décrits, étant donné que la gestion de la lubrification de plusieurs paliers à roulements peut être assurée par un même système d'équipements dédié à l'enceinte intégrant ces paliers. De préférence, la turbomachine comprend un ou plusieurs arbres portant les éléments tournants de la partie compresseur et de la partie turbine, par exemple deux. A titre indicatif, la turbomachine est un turboréacteur, un turbopropulseur, un turbomoteur, ou un groupe auxiliaire de puissance (de l'anglais Auxiliary Power Unit ).

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - les figures 1 à 6 représentent des vues en coupe longitudinale de turbomachines pour aéronef selon des modes de réalisation préférés de la présente invention ; et - la figure 7 représente une vue en coupe longitudinale schématisant un exemple de réalisation d'une enceinte pressurisée logeant un palier aérodynamique.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence à la figure 1, on peut apercevoir une partie d'une turbomachine 1 selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention.

De l'amont vers l'aval dans un sens d'écoulement principal des gaz au sein de la turbomachine, représenté par la flèche 5, la turbomachine 1 comprend, une partie compresseur 2, une chambre de combustion 4, et une partie turbine 6, tous ces éléments étant centrés sur l'axe longitudinal 8 de cette turbomachine. Dans ce mode de réalisation préféré, la partie turbine 6 comporte une turbine haute pression 6a ainsi qu'une turbine basse pression 6b décalée de la première selon la direction axiale.

En outre, la turbomachine comprend un système d'arbres 10 portant les éléments tournants des parties compresseur 2 et turbine 6. Plus précisément, un premier arbre 10a porte les éléments tournants de la turbine haute pression 6a, et les éléments tournants de la partie compresseur 2, qui est ici un unique compresseur haute pression. L'extrémité avant de l'arbre 10a peut être reliée à tout récepteur de la turbomachine. En outre, un second arbre 10b, concentrique avec le premier, porte les éléments tournants de la turbine basse pression 6b. L'extrémité avant de l'arbre 10b peut être reliée à tout récepteur de la turbomachine. D'une manière connue, la détente des gaz à travers les turbines 6a, 6b assure la mise en rotation des arbres 10a, 10b, qui sont reliés au carter de la turbomachine par une pluralité de paliers assurant leur support en rotation selon l'axe 8. L'une des particularités de la présente invention consiste à utiliser simultanément des paliers à roulements et des paliers aérodynamiques, chacun disposant d'une conception connue de l'homme du métier. Les paliers à roulements, du type roulements à billes ou à rouleaux, sont agencés préférentiellement en amont du compresseur haute pression 2, à savoir dans la partie la plus froide de la turbomachine, tandis que les paliers aérodynamiques sont agencés de préférence au droit de la chambre de combustion, ou en aval de celle-ci.

Dans le premier mode de réalisation préféré, deux paliers aérodynamiques 12 sont agencés au droit de la partie turbine 6, de préférence dans l'espace inter-turbines délimité entre la turbine 6a et la turbine 6b, chacun supportant l'un des arbres 10a, 10b. Comme cela sera décrit en référence à la figure 7, chacun de ces paliers 12 peut être agencé dans une enceinte rendue étanche à l'aide d'un prélèvement d'air issu du compresseur haute pression 2. L'étanchéité est alors recherchée pour éviter l'ingestion de gaz chaud dans les paliers aérodynamiques. A titre indicatif, une même et unique enceinte étanche peut regrouper les deux paliers 12. En outre, il est prévu deux paliers à roulements 14 en amont du compresseur haute pression 2, chacun supportant l'un des arbres 10a, 10b, impliquant que chacun de ces derniers est porté par un palier à roulements à son extrémité avant assurant l'essentiel de la reprise de la charge axiale, et un palier aérodynamique à son extrémité arrière assurant une partie de la reprise de la charge radiale.

Pour une meilleure optimisation, les deux paliers 14 sont regroupés au sein d'une même enceinte étanche lubrifiée 16, généralement par de l'huile. Ainsi, ils peuvent avantageusement partager le même circuit de lubrification (non représenté), intégrant par exemple un séparateur du mélange air/lubrifiant, un système de pompe de récupération de ce mélange, et/ou encore un système d'échange thermique air/lubrifiant ou carburant/lubrifiant. Pour une optimisation encore meilleure, cette enceinte 16 est choisie pour être celle intégrant déjà une boîte d'engrenages (non représentée), dédiée au fonctionnement de la turbomachine et ayant des fonctions spécifiques en fonction de la nature de la turbomachine concernée. Il peut par exemple s'agir du réducteur d'un turboréacteur ou d'un turbopropulseur, de la boîte relais d'une unité auxiliaire de puissance, ou encore du couple conique de renvoi d'angle d'un turboréacteur. En particulier, un ou plusieurs composants peuvent être reliés mécaniquement à la sortie de cette boîte d'engrenages, elle-même entraînée par le système d'arbres 10. Comme composant, il peut par exemple s'agir d'un démarreur, d'un ou plusieurs alternateurs, d'un arbre de transmission principal dans le cas d'un turbomoteur, de pompes à carburant et à lubrification, d'un séparateur air/lubrifiant, ou encore d'un compresseur basse pression dans le cas d'un turboréacteur à double flux. Naturellement, il est envisagé le cas où la boîte d'engrenages entraîne l'un ou plusieurs de ces composants en étant placée dans une autre enceinte que celle logeant les paliers à roulements 14, et le cas où l'un ou plusieurs de ces composants sont entraînés directement par le système d'arbres 10. Dans le second mode de réalisation montré sur la figure 2, le palier aérodynamique 12 associé au premier arbre 10a à été déplacé au droit de la chambre de combustion 4, c'est-à-dire de manière à être recouvert radialement par celle-ci, tandis que le palier aérodynamique 12 associé au second arbre 10b à été déplacé en aval de la turbine basse pression 6b.

Dans le troisième mode de réalisation montré sur la figure 3, le palier aérodynamique 12 associé au premier arbre 10a est agencé au droit de la chambre de combustion 4, tandis que le palier aérodynamique 12 associé au second arbre 10b est agencé dans l'espace inter-turbines. Dans le quatrième mode de réalisation montré sur la figure 4, le palier aérodynamique 12 associé au premier arbre 10a est agencé dans l'espace inter-turbines, tandis que le palier aérodynamique 12 associé au second arbre 10b est agencé en aval de la turbine basse pression 6b. Dans les modes de réalisation des figures 5 et 6, le système d'arbres ne comprend en réalité qu'un seul arbre 10, de même que la partie turbine ne comporte qu'une seule turbine 6, reliée au compresseur 2 par ce même arbre 10. Par conséquent, seuls un palier aérodynamique 12 et un palier à roulements 14 sont prévus pour supporter l'arbre 10 en rotation, respectivement à ses extrémités arrière et avant. Plus précisément, dans le cinquième mode de réalisation montré sur la figure 5, le palier aérodynamique 12 est agencé en aval de la turbine 6, alors que dans le sixième mode de réalisation montré sur la figure 6, le palier aérodynamique 12 est agencé au droit de la chambre de combustion 4. En référence à la figure 7, on peut voir un exemple de réalisation d'une enceinte pressurisée 20 logeant un ou plusieurs paliers aérodynamiques 12. Pour pressuriser cette enceinte non lubrifiée, de l'air est prélevé au niveau du compresseur 2, par une conduite 22 qui débouche dans cette même enceinte 20. Cette dernière est délimitée par un ou plusieurs joints tournants 24, de préférence du type à labyrinthes. Sur l'exemple de la figure 7, un premier joint 24 est agencé en amont de l'enceinte, tandis qu'un second joint 24 est agencé en aval de cette enceinte. Un débit d'air traverse donc la conduite 22, pour pénétrer au sein de l'enceinte 20. Ensuite, un débit de fuite traverse les joints dynamiques 24, pour s'échapper vers l'extérieur de l'enceinte 20. Pour s'assurer que le débit de fuite s'exerce bien de l'intérieur vers l'extérieur de l'enceinte, et donc pour éviter l'ingestion de gaz chaud dans le palier aérodynamique 12, la pression d'air dans cette enceinte 20 est rendue supérieure à la pression des cavités environnantes amont 28 et aval 30, grâce à la pression de l'air issu de la conduite 22. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.25

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine (1) comprenant une partie compresseur (2), une chambre de combustion (4), une partie turbine (6), au moins un arbre (10, 10a, 10b) portant les éléments tournants de la partie compresseur et de la partie turbine, ainsi qu'une pluralité de paliers supportant ledit arbre, caractérisée en ce que ladite pluralité de 10 paliers comprend un ou plusieurs paliers aérodynamiques (12) ainsi qu'un ou plusieurs paliers à roulements (14), chacun desdits un ou plusieurs paliers à roulements (14) étant disposé en amont de la chambre de combustion (4), selon un sens d'écoulement principal 15 des gaz (5) à travers la turbomachine.
2. 2. Turbomachine (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun desdits un ou plusieurs paliers à roulements (14) est disposé en 20 amont de la partie compresseur (2), selon ledit sens d'écoulement principal des gaz (5) à travers la turbomachine.
3. 3. Turbomachine (1) selon la revendication 25 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ladite pluralité de paliers comprend au moins un palier à roulements (14) logé au sein d'une enceinte étanche lubrifiée (16) intégrant une boîte d'engrenages de la turbomachine. 30
4. 4. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite pluralité de paliers comprend au moins deux paliers à roulements (14) logés dans une même enceinte étanche lubrifiée (16).
5. 5. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un ou deux arbres (10, 10a, 10b) portant les éléments tournants de la partie compresseur et de la partie turbine.
6. 6. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est un turboréacteur, un turbopropulseur, un turbomoteur, ou un groupe auxiliaire de puissance.
7. 7. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins un palier aérodynamique est placé au droit de la chambre de combustion, ou dans un espace inter-turbines de la partie turbine, ou en aval de cette partie turbine.25