FR3017667A1 - Dispositif pour une helice non carenee a pales a calage variable d'une turbomachine - Google Patents

Description

Dispositif pour une hélice non carénée à pales à calage variable d'une turbomachine La présente invention concerne un dispositif pour une turbomachine à hélices non carénées à pales à calage variable. Une telle hélice est également appelée « open rotor » ou « unducted fan », en anglais. Une turbomachine de ce type comprend deux hélices externes coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, qui sont chacune entraînées en rotation par une turbine de la turbomachine et qui s'étendent sensiblement radialement à l'extérieur de la nacelle de cette turbomachine. Chaque hélice comprend un élément de rotor polygonal comportant des logements cylindriques répartis autour de l'axe de la turbomachine et dans lesquels sont montés des supports des pales de l'hélice. Chaque pale comprend par exemple un pied à section en queue d'aronde qui est engagé dans une rainure de forme complémentaire du support. A chaque support de pale est associé un palier comportant une partie annulaire radialement interne (le terme interne est défini ici par référence à l'axe du pied), couplée en rotation au pied du support, et une partie annulaire radialement externe, lesdites parties interne et externe étant aptes à pivoter l'une par rapport à l'autre, par exemple par l'intermédiaire d'organes de roulement tels que des rouleaux.

Les supports et les parties internes des paliers peuvent tourner dans les logements de l'élément de rotor et sont entraînés en rotation autour des axes des pales ou des pieds par des arbres, de façon à régler le calage angulaire des pales, et à l'optimiser en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine.

Plusieurs techniques sont connues afin de coupler en rotation le pied du support et la partie annulaire interne du palier.

Une première technique consiste à visser le pied dans la partie interne, comme cela est connu du document US 5 263 898. En fonctionnement, les pales de l'hélice sont soumises à des efforts centrifuges très importants pouvant atteindre 60 000 daN, ces efforts étant transmis à l'élément de rotor par l'intermédiaire des supports, des parties internes des paliers et de butées à rouleaux. Ces efforts passent en particulier par les filets permettant le vissage du pied dans la partie interne du palier. Or ces filets ne sont pas conçus pour transmettre de tels efforts et risquent de se détériorer rapidement, limitant ainsi la durée de vie de l'hélice. Une telle solution est en outre complexe et coûteuse à réaliser, en plus d'être relativement encombrante. Par ailleurs, l'utilisation de tels filets peut générer des risques de fissuration, en particulier dans le cas où un alliage de titane est utilisé pour la réalisation du pied. Une autre technique connue du document FR 2 943 312 au nom de la Demanderesse, consiste à réaliser le crabotage du pied dans la partie interne du palier. Pour cela, le pied du support et la partie radialement interne du palier comportent des organes de crabotage complémentaires, en particulier des dents, aptes à autoriser l'insertion axiale du pied du support dans la partie interne du palier, dans une première position angulaire du pied par rapport à la partie interne, et aptes à maintenir axialement en position le pied dans la partie interne, dans une seconde position angulaire, par appui axial des dents de crabotage du pied sur les dents de crabotage de la partie interne. Des cales sont montées circonférentiellement entre les dents de crabotage du pied et de la partie interne de façon à empêcher la rotation du pied par rapport à la partie interne lorsqu'ils sont dans leur seconde position angulaire et éviter ainsi toute désolidarisation du pied et de l'organe interne du palier. La transmission des efforts entre chaque support de pale et la partie interne du palier associé est assurée par des surfaces d'appui relativement importantes, à savoir les surfaces d'appui des dents, et non par des filets qui sont relativement fragiles. Il est ainsi possible d'éviter toute détérioration prématurée de l'hélice. Ce document ne prévoit cependant pas de moyen permettant de réaliser un frettage, c'est-à-dire un montage ou un ajustement serré, du pied du support dans l'organe interne du palier. Un tel frettage est souhaité afin d'éviter de générer des vibrations en fonctionnement et, par voie de conséquence, une détérioration prématurée du palier. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes précités.

A cet effet, elle propose un dispositif pour une hélice non carénée à pales à calage variable d'une turbomachine, le dispositif comprenant un support destiné à supporter une pale dans une zone distale et comportant un pied cylindrique dans une zone proximale, un palier comportant une partie annulaire radialement interne et une partie annulaire radialement externe, lesdites parties interne et externe étant aptes à pivoter l'une par rapport à l'autre, par exemple par l'intermédiaire d'organes de roulement tels que des billes et/ou des rouleaux, le pied étant monté dans ladite partie interne du palier, caractérisé en ce qu'il comporte un moyeu monté dans le pied, ledit moyeu comportant un rebord comprenant une face d'appui tournée vers l'extrémité distale du moyeu et venant en appui sur la partie annulaire radialement interne du palier, le moyeu et le pied du support comportant des organes de crabotage complémentaires aptes à autoriser l'insertion axiale du moyeu dans le pied du support, dans une première position angulaire du moyeu par rapport audit pied, et aptes à maintenir axialement en position le moyeu dans ledit pied, dans une seconde position angulaire relative, par appui axial des organes de crabotage du moyeu contre les organes de crabotage complémentaires du pied, ou inversement, le dispositif comportant en outre un organe de verrouillage apte à verrouiller le moyeu par rapport au pied dans la seconde position angulaire.

Les organes de crabotage entre le moyeu et le pied, d'une part, et l'appui du rebord du moyeu sur la partie interne du palier, d'autre part, permettent au dispositif de résister à des efforts centrifuges importants. De préférence, le pied comporte une surface cylindrique radialement externe, ledit pied étant serré ou fretté dans un logement cylindrique de la partie interne du palier. De cette manière, on évite les vibrations et les risques de détérioration prématurée du palier évoqués précédemment. Les organes de crabotage étant situés à l'intérieur du pied, il est possible de réaliser un frettage efficace sur toute la hauteur et sur toute la circonférence de la surface externe cylindrique du pied. Le support peut être réalisé en alliage de titane, de façon à réduire la masse du dispositif. Par ailleurs, la partie interne du palier peut être réalisée en acier. Enfin, le moyeu peut être réalisé en un superalliage à base Nickel, par exemple en Inconel 718. Les organes de crabotage peuvent comporter des dents. Dans ce cas, l'organe de verrouillage peut comporter au moins une dent montée entre deux dents de crabotage du pied et du moyeu. Par ailleurs, l'organe de verrouillage peut être apte à coulisser par rapport au pied et au moyeu, entre une position de verrouillage dans laquelle il empêche la rotation du moyeu par rapport au pied, et une position de libération dans laquelle il autorise la rotation du moyeu par rapport au pied. En outre, le dispositif peut comporter des moyens de fixation de l'organe de verrouillage dans sa position de verrouillage. De plus, le moyeu peut comporter un logement cannelé débouchant à l'extrémité distale du moyeu, de façon à permettre un couplage en rotation avec une extrémité cannelée d'un arbre. Cet arbre permet de commander l'angle de calage de la pale correspondante.

Le pied peut comporter un logement, des dents de crabotage s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la surface interne du logement, dans la zone d'extrémité proximale du pied, le moyeu comportant des dents de crabotage complémentaires, lesdites dents du moyeu s'étendant radialement vers l'extérieur, dans la zone d'extrémité distale du moyeu, et coopérant avec les dents de crabotage du pied, l'organe de verrouillage étant engagé dans le logement du pied et comportant des dents intercalées à chaque fois entre les dents du pied et du moyeu, de manière à empêcher la rotation du moyeu par rapport au pied. L'invention concerne également une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif du type précité. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une turbomachine à hélices non carénées selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique et en coupe de la turbomachine de la figure 1, selon l'axe de la turbomachine, - la figure 3 est une vue en perspective du support, - la figure 4 est une vue en perspective du dispositif selon l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective illustrant l'insertion de l'organe de verrouillage dans le pied du support, - la figure 6 est une vue en coupe axiale du support et de l'organe de verrouillage, - la figure 7 est une vue en perspective de l'organe de verrouillage, - la figure 8 est une vue en perspective illustrant l'insertion du moyeu dans le pied du support, - la figure 9 est une vue en coupe du support, du moyeu et de l'organe de verrouillage situé dans sa position de libération, - la figure 10 est une vue en coupe axiale d'une partie de la turbomachine équipée d'un dispositif selon l'invention, - les figures 11 et 12 sont des vues en perspective du moyeu, - les figures 13 et 14 sont des vues en coupe du support, du moyeu et de l'organe de verrouillage situé dans sa position de verrouillage, Les figures 1 et 2 représentent une turbomachine 1 à hélices non carénées (en anglais « open rotor » ou « unducted fan ») qui comporte d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz à l'intérieur de la turbomachine 1, un compresseur 2, une chambre annulaire de combustion 3, une turbine haute-pression 4, et des turbines basse-pression 5 qui sont contrarotatives, c'est-à-dire qui tournent dans deux sens opposés autour de l'axe longitudinal A de la turbomachine 1. Chacune de ces turbines aval 5 est solidaire en rotation d'une hélice externe 6, 7 s'étendant radialement à l'extérieur de la nacelle 8 de la turbomachine 1, cette nacelle 8 étant sensiblement cylindrique et s'étendant le long de l'axe A autour du compresseur 2, de la chambre de combustion 3, et des turbines 4, 5. Le flux d'air 9 qui pénètre dans la turbomachine est comprimé (en 2) puis est mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion 3, les gaz de combustion passant ensuite dans les turbines 4, 5 pour entraîner en rotation les hélices 6, 7 qui fournissent la majeure partie de la poussée générée par la turbomachine. Les gaz de combustion sortant des turbines 4, 5 sont expulsés à travers une tuyère pour augmenter la poussée.

Les hélices 6, 7 sont disposées coaxialement l'une derrière l'autre et comportent une pluralité de pales 10 régulièrement réparties autour de l'axe A de la turbomachine 1. Ces pales 10 s'étendent sensiblement radialement et sont du type à calage variable, c'est-à-dire qu'elles peuvent tourner autour de leurs axes de façon à optimiser leur position angulaire en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine 1.

La position des pales 10 est commandée par l'intermédiaire d'arbres 11 s'étendant radialement par rapport à l'axe A de la turbomachine 1. Chaque hélice 6, 7 comprend un élément de rotor formé par un anneau polygonal (non représenté) qui s'étend autour de l'axe A et qui comporte une pluralité de logements radiaux sensiblement cylindriques dans lesquels sont engagés des dispositifs 12 permettant le montage des pales 10 et autorisant la rotation des pales 10 autour d'axes B, chacun perpendiculaire à l'axe A.

Dans ce qui suit, on qualifiera de distal ou haut, un élément qui est éloigné de l'axe A de la turbomachine 1. A l'inverse, on qualifiera de proximal ou bas, un élément qui est proche de l'axe A. Comme cela est connu en soi, chaque pale 10 comprend à son extrémité proximale un pied à section en queue d'aronde, qui est engagé et retenu dans une rainure 13 ménagée dans une partie distale 14 d'un support 15 du dispositif 12 selon l'invention. Cette partie distale 14 comporte en outre deux bras 16 dits de contrepoids, apte à générer un couple permettant de garantir la mise en drapeau de la pale 10 en cas de défaillance. La mise en drapeau consiste à ramener la pale 10 dans une position dans laquelle le bord de fuite s'étend dans le prolongement du bord d'attaque de la pale 10, dans le sens d'écoulement du flux d'air. Chaque pale et plus généralement l'hélice se place parallèlement à l'axe de l'écoulement du flux d'air autour d'elle. Le support 15 comporte en outre une partie proximale creuse 17, également appelée le pied, de forme générale cylindrique. Des dents de crabotage 18 font saillie radialement vers l'intérieur depuis la surface interne délimitant le logement interne 19 du pied 17. Ces dents 18 sont au nombre de quatre et sont régulièrement réparties sur la périphérie. Le support 15 est réalisé par exemple en alliage de titane.

Le pied 17 du support 15 est monté dans un palier du dispositif, lui- même monté dans un logement de l'anneau de l'hélice.

Le palier comporte une partie annulaire interne 20 et une partie annulaire externe 21 coaxiales (figures 10) et aptes à pivoter l'une par rapport à l'autre autour de l'axe B. Des organes de roulement, ici des rouleaux représentés uniquement par leurs traits d'axes 22, sont montés entre les parties annulaires interne et externe 20, 21. Ces parties 20, 21 peuvent former elles-mêmes des pistes de roulement pour les organes de roulement 22. A l'inverse, des bagues intermédiaires montées radialement entre les parties interne et externe 20, 21 peuvent former les pistes de roulement. Les parties interne et externe 20, 21 sont réalisées par exemple en acier. Les termes axial et radial sont utilisés par référence à l'axe B de pivotement du support 15 dans le palier 20, 21, qui est également l'axe de la pale 10, du pied 17 et des parties interne et externe 20, 21du palier. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 10, le palier 15 comporte deux rangées de rouleaux 22, à savoir une rangée proximale et une rangée distale. Les rouleaux 22 sont coniques ou cylindrique et s'étendent suivant un angle compris entre 20 et 45° avec l'axe B. Le pied 17 est monté serré ou fretté dans la partie interne 20 du palier. Les surfaces frettées sont des surfaces cylindriques continues. Ce 20 frettage est réalisé de façon continue sur toute la hauteur et sur toute la circonférence du pied 17. Il est obtenu par chauffage de la partie interne 20 du palier (qui se dilate), puis insertion du pied 17 dans ladite partie interne 20 du palier. En refroidissant, la partie interne 20 se rétracte de manière à assurer un ajustement serré (frettage) du pied 17 dans la partie 25 interne 20. Un organe de verrouillage 23 est ensuite monté dans le logement 19 du pied 17. Celui-ci comporte un socle 24 sensiblement rond, en périphérie radialement externe duquel des dents 25 s'étendent axialement vers le bas, c'est-à-dire vers l'axe A. Les dents 25 sont par exemple au 30 nombre de quatre et sont régulièrement réparties sur toute la périphérie. Chaque dent 25 a une section en arc de cercle et s'étend angulairement sur la totalité ou la quasi-totalité du secteur angulaire séparant deux dents 18 de crabotage du pied 17. Le socle 24 comporte un trou taraudé 26 situé en son centre. La figure 6 illustre l'organe de verrouillage 23 dans la partie haute du logement 19 du pied 17 (ce logement débouchant vers le bas) : l'organe de verrouillage 23 est en position d'attente ou de libération. Un moyeu 27 est ensuite inséré dans le logement 19 du pied 17. Celui-ci est réalisé par exemple en un superalliage à base Nickel, tel que de l'Inconel 718, a une forme de révolution d'axe B et comporte des dents de crabotage 28 s'étendant radialement vers l'extérieur au niveau de son extrémité haute ou distale, ainsi qu'un rebord 29 s'étendant radialement vers l'extérieur au niveau de son extrémité basse ou proximale. Le rebord 29 comporte une surface d'appui annulaire 30 tournée vers le haut. Les dents 28 du moyeu 27 s'étendent angulairement sur la totalité ou la quasi- totalité du secteur angulaire séparant deux dents de crabotage 18 du pied 17. Le moyeu 27 comporte en outre un trou central 31 présentant des cannelures orientées axialement, ledit trou 31 étant destiné à accueillir l'extrémité distale cannelée de l'arbre 11 correspondant. Le trou 31 est débouchant à l'extrémité proximale du moyeu 27 mais ne débouche pas à l'extrémité distale du moyeu 27. Un trou 32 de plus faible diamètre traverse l'extrémité distale du moyeu 27 et débouche dans le trou 31. Lors du montage du moyeu 27 dans le logement 19 du pied 17, le moyeu 27 est positionné dans une première position angulaire par rapport au pied 17, de sorte que les dents 28 du moyeu 27 soient intercalées à chaque fois entre deux dents 18 du pied 17. Le moyeu 27 peut alors être introduit dans le logement 19 du pied 17, par translation le long de l'axe B. Lorsque la surface d'appui 30 du rebord 29 du moyeu 27 vient en appui sur l'extrémité proximale de la partie interne 20 du palier, le moyeu 27 est pivoté autour de l'axe B, dans une seconde position angulaire par rapport au pied 17, de sorte que le moyeu 27 soit maintenu axialement en position par appui axial des dents 28 du moyeu 27 sur les dents 28 du pied 17. Un outil (non représenté) comportant une extrémité distale filetée est introduit au travers des trous 31 et 32 du moyeu 27, puis est vissé dans le trou taraudé 26 de l'organe de verrouillage 23. Une traction sur cet outil permet ensuite de ramener l'organe de verrouillage 23 vers le bas, de sorte que les dents 25 de l'organe de verrouillage 23 s'insèrent circonférentiellement entre les dents de crabotage 18 du pied 17 et du moyeu 27. L'organe de verrouillage 23 est alors dans sa position de verrouillage (ou position basse), comme illustré aux figures 13 et 14. Il peut être maintenu dans cette position par tous moyens de fixation appropriés, par exemple à l'aide d'une ou plusieurs vis, non représentées. Un tel dispositif 12 permet ainsi de réaliser un assemblage ou un ajustement serré du pied 17 dans la partie interne 20 du palier, de manière à limiter les vibrations et éviter un endommagement prématuré du palier. Cet ajustement est effectué de façon continue sur toute la surface externe cylindrique du pied 17. Par ailleurs, les moyens de crabotage 18, 28 et le rebord 29 permettent de supporter des efforts centrifuges très importants, du fait des surfaces étendues en contact.20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (12) pour une hélice non carénée (6, 7) à pales (10) à calage variable d'une turbomachine (1), le dispositif comprenant un support (15) destiné à supporter une pale (10) dans une zone distale (14) et comportant un pied cylindrique (17) dans une zone proximale, un palier comportant une partie annulaire radialement interne (20) et une partie annulaire radialement externe (21), lesdites parties interne et externe (20, 21) étant aptes à pivoter l'une par rapport à l'autre, le pied (17) étant monté dans ladite partie interne (20) du palier, caractérisé en ce qu'il comporte un moyeu (27) monté dans le pied (17), ledit moyeu (27) comportant un rebord (29) comprenant une face d'appui (30) tournée vers l'extrémité distale du moyeu (27) et venant en appui sur la partie annulaire radialement interne (20) du palier, le moyeu (27) et le pied (17) du support (15) comportant des organes de crabotage complémentaires (18, 28) aptes à autoriser l'insertion axiale (B) du moyeu (27) dans le pied (17) du support (15), dans une première position angulaire du moyeu (27) par rapport audit pied (17), et aptes à maintenir axialement en position le moyeu (27) dans ledit pied (17), dans une seconde position angulaire relative, par appui axial des organes de crabotage (28) du moyeu (27) contre les organes de crabotage complémentaires (18) du pied (17), ou inversement, le dispositif (12) comportant en outre un organe de verrouillage (23) apte à verrouiller le moyeu (27) par rapport au pied (17) dans la seconde position angulaire.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pied (17) comporte une surface cylindrique radialement externe, ledit pied (17) étant serré ou fretté dans un logement cylindrique de la partie interne (20) du palier.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les organes de crabotage comportent des dents (18, 28).
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe de verrouillage (23) comporte au moins une dent (25) montée entre deux dents de crabotage (18, 28) du pied (17) et du moyeu (27).
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe de verrouillage (23) est apte à coulisser par rapport au pied (17) et au moyeu (27), entre une position de verrouillage dans laquelle il empêche la rotation du moyeu (27) par rapport au pied (17), et une position de libération dans laquelle il autorise la rotation du moyeu (27) par rapport au pied (17).
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en en ce qu'il comporte des moyens de fixation de l'organe de verrouillage (23) dans sa position de verrouillage.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en en ce que le moyeu (27) comporte un logement cannelé (31) débouchant à l'extrémité distale du moyeu (27).
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le pied (17) comporte un logement (19), des dents de crabotage (18) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la surface interne du logement (19), dans la zone d'extrémité proximale du pied (17), le moyeu (27) comportant des dents de crabotage complémentaires (28) s'étendant radialement vers l'extérieur, dans la zone d'extrémité distale du moyeu (27), et coopérant avec les dents de crabotage (18) du pied (17), l'organe de verrouillage (23) étant engagé dans le logement (19) du pied (17) et comportant des dents (25) intercalées à chaque fois entre les dents (18) du pied (17) et du moyeu (27), de manière à empêcher la rotation du moyeu (27) par rapport au pied (17).
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites parties interne et externe (20, 21) du palier sont aptes à pivoter l'une par rapport à l'autre, par exemple par l'intermédiaire d'organes de roulement tels que des billes et/ou des rouleaux (22),
10. 10. Turbomachine (1), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif (12) selon l'une des revendications 1 à 9.