FR3069571B1 - Systeme a compression de film fluide et machine tournante comprenant un tel systeme - Google Patents

Abstract

Système à compression de film fluide (20) pour l'amortissement du mouvement relatif entre deux pièces (16, 18), le système comprenant des éléments d'étanchéité (22, 23, 23a, 23b) destinés à être disposés entre les deux pièces et à définir de manière au moins partiellement étanche, entre eux et avec les deux pièces, une zone (24) configurée pour recevoir un film fluide, le système comprenant en outre un réservoir de récupération (28), agencé par rapport à ladite zone (24) de façon à récupérer le fluide qui s'échappe de la zone, et un capillaire (32) s'étendant du réservoir de récupération (28) à ladite zone (24) pour l'alimentation du film fluide.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

[0001] Le présent exposé concerne le domaine des systèmes à compression de film fluide. De tels systèmes peuvent être utilisés comme amortisseurs, notamment dans des machines tournantes.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[0002] Dans un arbre en rotation rapide, tel que, par exemple, l'arbre rotor d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou turbopropulseur d'aéronef, des balourds ont tendance à provoquer des vibrations radiales de l'arbre. Afin d'amortir ces vibrations radiales, et ainsi d'empêcher leurs effets délétères sur l'arbre et son environnement, il est connu de l'homme du métier d'utiliser des amortisseurs à compression de film fluide (en anglais : « squeeze film damper »). Par exemple, la demande de brevet FR 2 845 138 Al de la Demanderesse divulgue un tel amortisseur.

[0003] Au sens du présent exposé, on appelle axe du rotor l'axe de rotation nominal de celui-ci. La direction axiale correspond à la direction de Taxe du rotor et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe du rotor et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant Taxe du rotor et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe.

[0004] Un système d'amortissement à compression de film fluide comporte généralement un film fluide, typiquement un film d'huile, contenu dans un espace annulaire délimité par deux surfaces sensiblement cylindriques, et par un segment d'étanchéité à chacune de ses extrémités. Les surfaces cylindriques sont, le plus souvent, une surface intérieure d'un carter et une surface extérieure d'une bague extérieure d'un palier rotatif, en particulier d'un palier à roulements.

[0005] Sous l'effet de balourds dans un arbre rotatif logé dans un tel palier avec amortisseur à compression de film fluide, la bague extérieure du palier décrit un mouvement orbital par rapport à l'axe du carter. Ce mouvement orbital génère une zone tournante de compression du film fluide. Le mouvement tournant de cette zone de compression provoque, par l'effet de Poiseuille, un amortissement du mouvement orbital de la bague extérieure du palier, et donc des vibrations radiales de l'arbre.

[0006] Cet amortissement génère toutefois de la chaleur dans le film liquide, qu'il est normalement nécessaire d'évacuer afin d'éviter que la température du film liquide ne monte, réduisant la viscosité et par suite la capacité d'amortissement du film liquide. Pour cela, il a été proposé de permettre un débit de fuite du liquide dans la zone de compression.

[0007] Ainsi, un système à compression de film fluide selon l'état de la technique nécessite à la fois un circuit d'alimentation et un circuit de récupération, afin de renouveler l'huile du film fluide.

[0008] Cependant, de tels circuits présentent des inconvénients. D'une part, les raccordements et interventions nécessaires à la maintenance des circuits d'huile créent des risques de fuite et de pollution de l'huile, ce qui dégrade l'efficacité de l'amortissement. D'autre part, ces circuits sont complexes, donc lourds et encombrants, ce qui s'avère particulièrement préjudiciable dans le cas d'une turbomachine d'aéronef où l'espace et la masse sont des paramètres critiques. Il existe donc un besoin pour un nouveau type de système à compression de film fluide.

PRÉSENTATION DE L'INVENTION

[0009] A cet effet, le présent exposé concerne un système à compression de film fluide pour l'amortissement du mouvement relatif entre deux pièces d'une turbomachine, le système comprenant des éléments d'étanchéité destinés à être disposés entre les deux pièces et à définir de manière au moins partiellement étanche, entre eux et avec les deux pièces, une zone configurée pour recevoir un film fluide, le système comprenant en outre un réservoir de récupération, agencé par rapport à ladite zone de façon à récupérer le fluide qui s'échappe de la zone, et au moins un capillaire s'étendant du réservoir de récupération à ladite zone pour l'alimentation du film fluide.

[0010] Une étanchéité est dite partielle si elle n'est effective que dans une certaine gamme de différences de pressions de part et d'autres des éléments d'étanchéité. Ainsi, dans le cas où les éléments d'étanchéité précités ne réalisent pas une étanchéité complète de la zone, ou espace, recevant le film fluide, ils permettent tout de même d'assurer, de façon connue en soi, que le film fluide est à une pression minimale garantissant sa fonction d'amortissement. Lorsque la pression du film fluide excède la pression de dimensionnement des éléments d'étanchéité, il peut se créer un débit de fuite de fluide depuis la zone de film fluide vers le réservoir de récupération.

[0011] Le circuit d'alimentation en fluide, servant à alimenter le film fluide, notamment pour compenser les pertes ou les dépressions locales, comprend au moins un capillaire (ci-après utilisé au singulier, sans perte de généralité) s'étendant du réservoir de récupération à ladite zone. Grâce au fait que le capillaire s'étend depuis le réservoir de récupération, il n'est plus nécessaire d'apporter du fluide depuis d'autres endroits plus éloignés, ce qui diminue sensiblement l'encombrement et la complexité du système. Grâce à l'utilisation d'un capillaire, on peut se passer d'actionneurs ou de pompes pour faire arriver le fluide dans la zone recevant le film fluide. L'utilisation d'un capillaire ainsi agencé permet donc de simplifier significativement la conception du système à compression de film fluide, de libérer de l'espace et de diminuer le poids du système, de simplifier le montage du système et de diminuer les risques de pollution et de fuite de fluide.

[0012] Au sens du présent exposé, un capillaire peut désigner aussi bien un tube capillaire qu'une structure se comportant comme un tube capillaire au sens où elle donne lieu au phénomène de capillarité, par exemple un matériau poreux.

[0013] On rappelle que la capillarité désigne la capacité d'un fluide, généralement un liquide, à monter naturellement le long d'un tube très fin, ou équivalent, plongé dans ce liquide, malgré la gravité. La montée est d'autant plus forte que le tube est fin. Ce phénomène est dû aux forces de tension superficielle du liquide, le liquide étant plus attiré par les parois du tube que par l'air se trouvant au-dessus de sa surface. Le tube étant très fin, le liquide forme un ménisque concave qui peut monter, de proche en proche, le long des parois, vainquant ainsi la gravité. Les forces à l'origine de la capillarité permettent donc de maintenir, dans la zone recevant le film fluide, une pression déterminée.

[0014] Dans certains modes de réalisation, les deux pièces sont un support et un palier, la zone recevant le film fluide étant située à l'extérieur du palier. Le support peut être une partie fixe solidaire d'un stator, par exemple un carter. Le palier peut être un roulement, notamment un roulement à billes. Le film fluide étant situé à l'extérieur du palier, le système à compression de film fluide n'est pas comparable à un palier fluide, dans lequel le fluide a essentiellement une fonction de lubrification et non d'amortissement radial. Il est préférable que le support soit fixe dans la mesure où cela facilite le montage et le fonctionnement du système à compression de film fluide.

[0015] Dans certains modes de réalisation, en position d'utilisation du système, le réservoir de récupération est situé plus bas que ladite zone, afin de faciliter la récupération du fluide dans ledit réservoir et mieux maîtriser les phénomènes de capillarité.

[0016] Dans certains modes de réalisation, une enceinte entoure les éléments d'étanchéité, l'enceinte étant configurée pour conduire le fluide s'échappant de ladite zone vers le réservoir de récupération. Par exemple, l'enceinte peut comprendre des drains. Dans ces modes de réalisation, le fluide peut circuler en boucle entre le réservoir de récupération et la zone recevant le film fluide, via le capillaire dans un sens et via l'enceinte dans l'autre sens.

[0017] Dans certains autres modes de réalisation, les éléments d'étanchéité sont configurés de sorte que la zone est hermétiquement isolée, ce par quoi le fluide s'échappant de la zone rejoint le réservoir de récupération via le capillaire. On comprend que l'expression « hermétiquement isolé » est appréciée à l'exclusion de l'ouverture formée par le capillaire. Par exemple, les éléments d'étanchéité précités peuvent être redimensionnés de façon à assurer une étanchéité totale de la zone. Alternativement ou en complément, les éléments d'étanchéité peuvent comprendre plusieurs sous-éléments, les premiers autorisant, de manière classique, un débit de fuite, et les deuxièmes entourant les premiers et assurant une étanchéité meilleure pour garantir que la zone est hermétiquement isolée. Dans tous les cas, la zone et le réservoir de récupération ne communiquent que par le capillaire. Lorsque la pression du film fluide excède la pression du capillaire, le fluide redescend le capillaire vers le réservoir de récupération, et inversement. Au besoin, le capillaire et/ou le réservoir de récupération peut être refroidi par un circuit d'air prévu à cet effet.

[0018] Dans certains modes de réalisation, le réservoir de récupération est défini par une cavité ayant pour unique ouverture le capillaire. La cavité peut être défini par une pluralité de pièces assemblées, ce qui permet un montage simplifié du réservoir de récupération et facilite l'insertion du capillaire en communication fluidique avec le réservoir de récupération.

[0019] Dans certains modes de réalisation, le système comprend au moins deux capillaires. Une pluralité de capillaires permet d'augmenter la capacité d'alimentation en fluide vers la zone et par suite d'adapter plus facilement les caractéristiques du film fluide en fonction des besoins, notamment d'amortissement. La pluralité de capillaires comprend le capillaire précité. En outre, chaque capillaire peut être agencé de manière similaire au capillaire précité.

[0020] Outre les caractéristiques qui viennent d'être mentionnées, le système proposé peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques parmi les suivantes, considérées isolément ou selon des combinaisons techniquement possibles: - le fluide peut être une huile, par exemple choisie parmi des huiles synthétiques certifiées pour l'aéronautique telles que la TURBONYCOIL 13 B (marque déposée) ou Exxon Turbo Oil 2380 (marque déposée) ; - la masse volumique du fluide peut être comprise entre 0,7 g/cm3 et 1 g/cm3 (grammes par centimètre cube), de préférence entre 0,9 g/cm3 et 1 g/cm3 ; - la tension superficielle du fluide peut être comprise entre 15 mN/m et 40 mN/m (milliNewton par mètre), de préférence entre 20 mN/m et 32 mN/m ; - le ou chaque capillaire peut être un tube dont le rayon (intérieur) est inférieur ou égal à 0,5 mm (millimètres), de préférence compris entre 0,1 mm et 0,5 mm ; - la hauteur du capillaire peut être comprise entre 5 mm et 120 mm. [0021] Le présent exposé concerne également une machine tournante, notamment pour une turbomachine, comprenant un rotor et un stator séparés par au moins un palier, et un système à compression de film fluide tel que précédemment décrit pour l'amortissement du mouvement relatif entre le rotor et le stator principalement selon une direction radiale du rotor, la zone configurée pour recevoir le film fluide étant prévue entre le stator et le palier.

[0022] Le présent exposé concerne également une turbomachine, notamment d'aéronef, comprenant une telle machine tournante.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0023] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en section axiale d'une turbomachine ; - la figure 2 représente une vue schématique en demi-section axiale d'un système à compression de film fluide selon un premier mode de réalisation ; - la figure 3 représente une vue schématique en demi-section axiale d'un système à compression de film fluide selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 3A illustre partiellement, en section, une variante de la figure 3 ; - la figure 4 représente une vue schématique, en section brisée selon IV-IV sur la figure 3, d'une variante du système à compression de film fluide selon le deuxième mode de réalisation. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION [0024] La figure 1 illustre une turbomachine, plus précisément un turboréacteur à double flux et double corps, en tant qu'exemple de machine tournante comprenant un rotor et un stator séparés par au moins un palier. En l'espèce, la turbomachine 10 est une turbomachine d'aéronef comprenant un arbre de rotor 12, en l'occurrence un arbre de corps basse pression, et un stator 14, en l'occurrence un carter (ci-après carter 14) parfois appelé carter intermédiaire. Les paliers 16 sont ici des paliers à roulements disposés pour soutenir l'arbre 12 par rapport au carter 14. Dans une telle turbomachine 10, l'arbre 12 peut tourner à de très hautes vitesses. Ainsi, même un léger balourd de l'arbre 12 peut causer d'importantes vibrations radiales qui sont transmises à la turbomachine 10. Pour amortir de telles vibrations principalement, la turbomachine 10 est munie d'un système à compression de film fluide, ici interposé entre le palier 16 et le carter 14.

[0025] Un premier mode de réalisation d'un tel système à compression de film fluide 20 est représenté sur la figure 2. Comme on le voit plus nettement sur cette figure, l'arbre de rotor 12 a un axe de rotation nominal X qui forme l'axe de l'arbre. Cet arbre 12 est solidaire d'une bague interne 16a du palier 16, tandis que le stator, comprenant ici le carter 14 et un support de palier 18 (aussi appelé support 18), est quant à lui solidaire d'une bague externe 16b du palier 16. La bague interne 16a et la bague externe 16b sont en rotation l'une par rapport à l'autre, de manière connue en soi, par l'intermédiaire de roulements 16c, en l'occurrence des billes.

[0026] Le système à compression de film fluide 20 comprend des éléments d'étanchéité 22 destinés à être disposés entre le palier 16 et le carter 14, plus précisément ici entre la bague externe 16b du palier et le support 18, et à définir ainsi de manière au moins partiellement étanche une zone 24 configurée pour recevoir un film fluide. Les éléments d'étanchéité 22 étant montés glissants sur le palier 16, de sorte que le palier 16 peut avoir un mouvement radial par rapport au support 18. Comme illustré sur la figure 2, le film fluide occupe la zone 24 délimitée par les éléments d'étanchéité 22, la bague externe 16b et le support 18, formant ainsi une couche d'amortissement pour atténuer les vibrations radiales de l'arbre 12 transmises par le palier 16. La zone 24 est à l'extérieur du palier 16. La zone 24 peut s'étendre, comme le palier 16, annulairement autour de l'arbre 12.

[0027] Comme on le détaillera par la suite, la pression du film fluide dans la zone 24 est contrôlée. Lorsque l'étanchéité réalisée par les éléments d'étanchéité 22 est partielle, en cas de surpression dans la zone 24 au gré des mouvements radiaux du palier 16, du fluide peut s'échapper axialement. Ce fluide est récupéré dans une enceinte 26 entourant les éléments d'étanchéité 22 et conduit, par des moyens appropriés tels que des drains, vers un réservoir de récupération 28.

[0028] Le réservoir de récupération 28 peut être un évidement formé dans le carter 14. Le réservoir de récupération 28 peut être situé plus bas que la zone 24 en position d'utilisation du système, de sorte que la gravité conduise naturellement le débit de fuite de fluide à travers l'enceinte 26 vers le réservoir de récupération 28. En d'autres termes, l'enceinte 26 est configurée pour conduire le fluide s'échappant de la zone 24 vers le réservoir de récupération 28. Comme illustré sur la figure 4, le réservoir de récupération 28 peut s'étendre selon un arc autour de l'axe X, dans une partie inférieure du carter 14.

[0029] En référence de nouveau à la figure 2, dans ce mode de réalisation, le réservoir de récupération 28 communique avec l'enceinte 26. Le réservoir de récupération 28 peut, en outre, être muni d'une conduite d'évacuation 30 visant à évacuer l'excès de fluide pouvant provenir d'autres systèmes de la turbomachine 10.

[0030] Comme indiqué précédemment, le système à compression de film fluide 20 comprend un capillaire 32 s'étendant du réservoir de récupération 28 à la zone 24 recevant le film fluide. Le capillaire 32 permet l'alimentation du film fluide à partir du fluide contenu dans le réservoir 28, selon les principes exposés précédemment. Le capillaire 32 peut être logé dans un perçage du support 18, débouchant d'une part sur la zone 24, d'autre part sur le réservoir de récupération. Alternativement, au lieu d'être un élément rapporté, le capillaire 32 peut être formé par le seul perçage du support 18, moyennant la présence d'une saillie plongeant dans le réservoir de récupération 28. Les caractéristiques du capillaire 32 déterminent la pression du fluide à l'intérieur dudit capillaire 32, ce qui impose aussi, en dehors des variations liées aux mouvements radiaux du palier 16, la pression du film fluide dans la zone 24.

[0031] Le capillaire est ici un tube. Dans le présent mode de réalisation, le fluide est une huile, en particulier une huile synthétique pour moteur d'avion telle que le Turbonycoil 13B (marque déposée). Cette huile a une masse volumique de 0,942 g/cm3 et une tension superficielle de 0,032 N/m, ce qui conduit à prévoir pour le capillaire 32 un diamètre de 0,2 mm et une hauteur inférieure ou égale à 70mm.

[0032] Ainsi, le film fluide présent dans la zone 24 est alimenté automatiquement par le capillaire 32, à une pression déterminée permettant le bon amortissement radial des mouvements du palier 26. Un tel mode de réalisation permet de s'affranchir du circuit d'alimentation classique en fluide.

[0033] Les figures 3 et 4 présentent le système à compression de film fluide dans d'autres modes de réalisation. Sur ces figures, les éléments correspondant ou identiques à ceux du premier mode de réalisation recevront le même signe de référence et ne seront pas décrits à nouveau.

[0034] Le deuxième mode de réalisation, illustré sur la figure 3, diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce qui concerne l'évacuation du fluide en surpression dans la zone 24. Plus particulièrement, dans ce mode de réalisation, les éléments d'étanchéité sont configurés de sorte que la zone 24 est hermétiquement isolée. Pour ce faire, en plus de premiers éléments d'étanchéité 22 similaires à ceux du premier mode de réalisation, le système peut comprendre des deuxièmes éléments d'étanchéité 23, placés de part et d'autre de la zone 24, autour des premiers éléments d'étanchéité 22. Les deuxièmes éléments d'étanchéités isolent complètement la zone 24 et empêchent le passage de fluide vers l'enceinte 26. En cas de surpression du film fluide, un débit de fuite s'installe en direction d'un espace 25 prévu entre les premiers et deuxièmes éléments d'étanchéité, mais ce débit est cantonné à l'espace 25. Contrairement aux premiers éléments d'étanchéité 22, les deuxièmes éléments d'étanchéité 23 ne sont pas glissants par rapport au palier 16 ni au support 18. Selon un exemple, les deuxièmes éléments d'étanchéité 23 peuvent comprendre une membrane déformable selon au moins la direction radiale. Alternativement, comme illustré sur la figure 3A, chacun des deuxièmes éléments d'étanchéité 23 peut comprendre un joint plat 23a, annulaire, monté en butée axiale contre le palier 16 et contre un épaulement du support 18. Les joints 23a peuvent être maintenus comprimés par des organes de maintien 23b, tels que des écrous, ici assemblés au support 18.

[0035] Par ailleurs, comme il ressort également de la figure 3, le réservoir de récupération 28 peut être fermé. Dans ce cas, le réservoir de récupération 28 peut prendre la forme d'une cavité fermée, par exemple prévue dans le carter 14. La cavité fermée peut être obtenue par assemblage de deux parties de manière étanche, typiquement par soudage ou bien vissage avec présence de joints d'étanchéité. La cavité possède, comme unique ouverture ou unique passage de fluide, le capillaire 32. Il peut être prévu un bouchon 34 pour fermer le réservoir de récupération 28 après son remplissage initial en fluide.

[0036] Ainsi, dans ce mode de réalisation, le fluide circule en circuit fermé entre la zone 24 et le réservoir de récupération 28. Le capillaire 32 sert aussi bien à conduire le fluide du réservoir de récupération 28 vers la zone 24, en cas de besoin en alimentation du fluide, qu'à conduire le fluide de la zone 24 vers le réservoir de récupération 28, en cas de surpression du film fluide. Un tel mode de réalisation permet de limiter les pertes de fluide ainsi que la pollution du fluide qui peut intervenir, par exemple, dans l'enceinte 26.

[0037] Il est préférable, dans ce mode de réalisation, d'assembler le support 18 au carter 14 avant de réaliser le perçage recevant le capillaire 32, afin d'assurer un bon alignement pour le passage du capillaire.

[0038] En variante, comme illustré sur la figure 4, il est possible de prévoir plusieurs capillaires 32, répartis par exemple angulairement autour de l'axe X, afin d'augmenter la capacité d'alimentation en fluide vers la zone 24. Cette variante pourrait également être mise en œuvre pour le premier mode de réalisation.

[0039] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. Par exemple, au lieu d'être un tube, le capillaire 32 peut être formé d'un matériau poreux ayant des porosités ouvertes. De manière plus générale, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Système à compression de film fluide (20) pour l'amortissement du mouvement relatif entre deux pièces (16, 18) d'une turbomachine, le système comprenant des éléments d'étanchéité (22, 23, 23a, 23b) destinés à être disposés entre les deux pièces et à définir de manière au moins partiellement étanche, entre eux et avec les deux pièces, une zone (24) configurée pour recevoir un film fluide, le système comprenant en outre un réservoir de récupération (28), agencé par rapport à ladite zone (24) de façon à récupérer le fluide qui s'échappe de la zone, et au moins un capillaire (32) s'étendant du réservoir de récupération (28) à ladite zone (24) pour l'alimentation du film fluide.
2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les deux pièces sont un support (18) et un palier (16), la zone (24) recevant le film fluide étant située à l'extérieur du palier (16).
3. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, en position d'utilisation, le réservoir de récupération (28) est situé plus bas que ladite zone (24).
4. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une enceinte (26) entoure les éléments d'étanchéité (22), l'enceinte (26) étant configurée pour conduire le fluide s'échappant de ladite zone (24) vers le réservoir de récupération (28).
5. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments d'étanchéité (22, 23, 23a, 23b) sont configurés de sorte que la zone (24) est hermétiquement isolée, ce par quoi le fluide s'échappant de la zone (24) rejoint le réservoir de récupération via le capillaire (32).
6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant au moins deux capillaires.
7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque capillaire (32) est un tube dont le rayon est inférieur ou égal à 0,5 mm.
8. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la hauteur du capillaire (32) est comprise entre 5 mm et 120 mm.
9. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le réservoir de récupération (28) est défini par une cavité ayant pour unique ouverture le capillaire (32).
10. 10. Machine tournante pour une turbomachine, comprenant un rotor (12) et un stator (14) séparés par au moins un palier (16), et un système à compression de film fluide (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour l'amortissement du mouvement relatif entre le rotor (12) et le stator (14) principalement selon une direction radiale du rotor (12), la zone (24) configurée pour recevoir le film fluide étant prévue entre le stator (14) et le palier (16).