FR3036141B1 - Arbre de commande radial pour dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine a soufflante non carenee et procede de montage d'un tel arbre. - Google Patents

Arbre de commande radial pour dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine a soufflante non carenee et procede de montage d'un tel arbre. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un arbre de commande radial (48) pour dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine à soufflante non carénée, l'arbre comprenant une partie externe (52) qui est destinée à être montée dans le dispositif de commande par l'extérieur de celui-ci et à être couplée à au moins une pale de soufflante (26) pour le réglage de son orientation, et une partie interne (50), indépendante de la partie externe, qui est destinée à être montée par l'intérieur du dispositif de commande, à être reliée à un palier de transfert de mouvement (40) pour faire pivoter l'arbre autour d'un axe radial (Z-Z), et à assurer une fermeture d'une enceinte huile dans laquelle est logé ledit palier, les parties externe et interne de l'arbre étant couplées l'une à l'autre. L'invention concerne aussi un procédé de montage d'un tel arbre et un dispositif de commande comprenant un tel arbre.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général desturbomachines équipées d'une ou deux soufflante(s) non carénée(s), etplus particulièrement à la commande de l'orientation des pales desoufflante(s) de ces turbomachines.
Un domaine privilégié d'application de l'invention concerne lesturboréacteurs à hélices contra rotatives, appelés « Open Rotor » enanglais, qui comprennent deux hélices contra rotatives placées en aval(version « pusher » en anglais) ou en amont (version « puller » enanglais) du générateur de gaz. Toutefois, l'invention s'applique égalementaux turbopropulseurs à une ou plusieurs hélices propulsives.
Dans un turboréacteur à hélices contrarotatives, il est connuque l'orientation (ou calage) des pales qui forment ces hélices constituel'un des paramètres permettant de gérer la poussée du turboréacteur,notamment en faisant fonctionner l'hélice toujours dans les meilleuresconditions possibles. En effet, le régime des hélices est quasimentconstant sur toutes les phases de fonctionnement, et c'est le calage despales des hélices qui fait varier la poussée. Ce calage permet notammentde faire fonctionner l'hélice dans les meilleures conditions possibles. Ainsi,en phase de vol de croisière, on cherche à obtenir la plus faible puissancepossible sur l'arbre de turbine qui est nécessaire pour une traction donnéeà une vitesse de l'avion donnée, de sorte à obtenir le meilleur rendement(c'est-à-dire le rendement permettant de minimiser la consommation decarburant et d'augmenter la distance franchissable). A l'inverse, audécollage, la traction la plus forte possible est recherchée afin d'accélérerpuis de faire décoller l'avion.
Le mécanisme de commande de l'orientation des pales deshélices du turboréacteur est généralement intégré à l'intérieur du moyeuportant les hélices. Plus précisément, l'orientation de chaque paleconstituant les hélices est typiquement commandée par un arbre decommande radial qui traverse un bras de carter en coïncidant avec un axede calage de la pale et qui comprend à son extrémité intérieure un bras delevier pour commander sa rotation selon cet axe de calage. Un vérin, fixepar rapport aux structures du moteur et centré sur l'axe longitudinal decelui-ci, entraîne en translation la bague interne d'un palier de transfert demouvement (appelé LTB pour « Load Transfert Bearing ») positionné dans le prolongement du vérin. Ce palier permet de transmettre le mouvementde translation du repère fixe lié au vérin à un repère tournant lié auxpales. De plus, pour chaque arbre de commande, une bielle de calage depas relie l'extrémité de chaque bras de levier à la bague externe du palierde transfert de mouvement. On pourra notamment se référer audocument WO 2013/050704 qui décrit un exemple de mise en œuvred'une telle commande.
Ce type de mécanisme nécessite d'avoir accès aux moyeux deshélices du moteur pour l'assemblage des différents éléments qui leconstituent. Or, pour certaines architectures de turboréacteur, notammentpour les turboréacteurs à hélices contra rotatives en version « pusher »,cet accès est limité du fait que les moyeux sont masqués par les carterstournant qui reconstituent la veine. En effet, avec cette architecture deturboréacteur, les arbres de commande radiaux doivent être engagés parl'intérieur du moyeu portant l'hélice au travers des bras de carter puiscouplés au travers de cannelures avec les pieds de pales. Pour y parvenir,il est donc nécessaire que l'espace disponible à l'intérieur du moyeuportant l'hélice ait un diamètre au moins équivalent à la longueur desarbres de commande.
Avec la réduction recherchée des diamètres des moyeux deshélices des turboréacteurs qui permet d'améliorer le rendement propulsifdes hélices, il devient cependant de plus en plus difficile d'introduire lesarbres de commande par l'intérieur des moyeux.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer unarbre de commande pour dispositif de commande de l'orientation despales qui ne présente pas les inconvénients précités.
Ce but est atteint grâce à un arbre de commande radial pourdispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'uneturbomachine à soufflante non carénée, ledit arbre comprenant une partieexterne qui est destinée à être montée dans le dispositif de commandepar l'extérieur de celui-ci et à être couplée à au moins une pale desoufflante pour le réglage de son orientation, et une partie interne,indépendante de la partie externe, qui est destinée à être montée parl'intérieur du dispositif de commande, à être reliée à un palier de transfert de mouvement pour faire pivoter ledit arbre de commande autour d'unaxe radial, et à assurer une fermeture d'une enceinte huile dans laquelleest logé ledit palier de transfert de mouvement, les parties externe etinterne de l'arbre de commande étant couplées l'une à l'autre.
Le recours à un arbre de commande réalisé en deux partiesindépendantes l'une de l'autre permet de résoudre les problèmes liés àson introduction dans le moyeu du turboréacteur portant l'hélice. En effet,la partie interne de l'arbre de commande (qui porte le bras de levier) peutêtre engagée par l'intérieur du moyeu, même si celui-ci est de petitdiamètre, tandis que la partie externe de l'arbre peut être introduite parl'extérieur de la veine. L'arbre de commande est ainsi parfaitementcompatible avec la réduction des diamètres des moyeux des hélices desturboréacteurs.
De plus, la partie interne de l'arbre de commande reste en placedans le moyeu portant l'hélice, et fait ainsi office de bouchon à l'enceintehuile dans laquelle est logée le palier de transfert de mouvement et levérin d'actionnement des arbres de commande, ce qui permet de réduireles risques de fuite d'huile hors de cette enceinte. Cette enceinte huile esten particulier un point critique puisqu'elle renferme les éléments dudispositif de commande de l'orientation des pales qui nécessitent une fortelubrification et des débits d'huile importants (pour le vérin, les paliers desupport en rotation des hélices par rapport au carter, le palier de transfertde mouvement, etc.).
Enfin, étant donné que la partie externe de l'arbre decommande est accessible depuis l'extérieur de la veine, il est possible deretirer celle-ci sans pour autant devoir au préalable retirer les carterstournant. Les opérations de maintenance s'en trouvent simplifiées puisqu'iln'est pas nécessaire de démonter un ensemble complexe de mécanismessitués dans une enceinte huile pour démonter l'anneau rotatif sur lequelles pivots de pales sont montés. Grâce à cet arbre de commande en deuxparties, il est possible de désolidariser le dispositif de commande del'orientation des pales de l'ensemble de pales de soufflante en démontantles parties externes des arbres de commande sans avoir à démonter lespales de soufflante ou l'anneau rotatif qui les entraîne en rotation.
Les deux parties indépendantes de l'arbre peuvent être coupléesl'une à l'autre par des cannelures de formes complémentaires.
De préférence, la partie interne de l'arbre comprend un bras delevier destiné à être couplé à une bague externe du palier de transfert demouvement et la partie externe de l'arbre comprend un systèmed'accouplement à au moins une pale de soufflante.
La partie interne de l'arbre est avantageusement destinée à êtremontée au travers d'un carter de moyeu avec interposition d'un palier àroulement. De même, la partie externe de l'arbre est avantageusementdestinée à être montée sur un anneau rotatif et maintenue sur celui-ci parun écrou. L'écrou étant manipulable par l'extérieur, il est possible de venirdémonter aisément la partie externe de l'arbre par l'extérieur. L'invention a également pour objet un procédé de montage d'unarbre de commande radial tel que défini précédemment, comprenant lemontage de la partie externe de l'arbre dans un dispositif de commandepar l'extérieur de celui-ci, le montage de la partie interne de l'arbre dans ledispositif de commande par l'intérieur de celui-ci, et le couplage desparties interne et externe de l'arbre entre elles. L'invention a encore pour objet un dispositif de commande del'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine à soufflante noncarénée, comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante àorientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneaurotatif, les pales de soufflante étant couplées, pour le réglage de leurorientation, à au moins un arbre de commande radial tel que définiprécédemment, la partie externe de chaque arbre de commande étantcouplée à au moins une pale de soufflante et la partie interne de chaquearbre de commande étant liée mécaniquement à un palier de transfert demouvement destiné à faire pivoter ledit arbre de commande autour de sonaxe radial.
De préférence, l'anneau rotatif assure une retenue radiale etune libre rotation de la partie externe de l'arbre de commande. Depréférence également, le dispositif comprend en outre un carter de moyeuqui assure une retenue radiale et une libre rotation de la partie interne del'arbre de commande.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente inventionressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de toutcaractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinaled'un turboréacteur à hélices contrarotatives auquel s'applique l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe longitudinale d'undispositif de commande dans deux positions de calage différentes équipéd'arbres de commande selon l'invention ; et - la figure 4 est une vue partielle d'un arbre de commande desfigures 2 et 3 montrant l'accouplement entre les deux parties de celui-ci.
Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à toute turbomachine équipée d'au moinsune soufflante non carénée, en particulier aux turbopropulseurs à une ouplusieurs hélices propulsives, ainsi qu'aux turboréacteurs à hélicescontrarotatives (appelés « Open Rotor » en anglais) qui comprennentdeux hélices contrarotatives placées en amont (en version « puller » enanglais) ou en aval (en version « pusher » en anglais) du générateur degaz, comme le turboréacteur 2 de type « pusher » représenté de façonschématique sur la figure 1.
De façon connue, le turboréacteur 2 comprend, d'amont en avaldans le sens d'écoulement du flux gazeux à l'intérieur d'une nacelle 4 duturboréacteur, un ou deux compresseurs 6 (selon l'architecture dugénérateur de gaz à simple ou double corps), une chambre de combustion8, une turbine haute-pression 10 (ou une turbine haute-pression et uneturbine à pression intermédiaire selon ladite architecture), et une turbinebasse-pression 12 qui entraîne de façon contrarotative, par l'intermédiaired'un réducteur ou boîtier à trains épicycloïdaux 14, une hélice amont 16 etune hélice aval 18 qui sont alignées coaxialement selon l'axe longitudinalX-X du turboréacteur et qui sont disposées en aval de la chambre decombustion. A cet effet, l'hélice amont 16 est solidaire d'un anneau rotatif 20centré sur l'axe longitudinal X-X du turboréacteur et couplé en rotation àune sortie du réducteur 14 pour tourner dans un sens, tandis que l'héliceaval 18 est solidaire d'un autre anneau rotatif 22 également centré surl'axe X-X et couplé en rotation à une autre sortie du réducteur 14 pour tourner dans un sens opposé. Le couplage entre les sorties du réducteuret les anneaux rotatifs des hélices est connu et n'est donc pas détaillé ici.
Par ailleurs, les pales 26 de l'hélice amont 16 et les pales 28 del'hélice aval 18 présentent chacune un pied qui est monté sur un supportde pied de pale, respectivement 30, 32, ces supports de pied de paleétant quant à eux montées de façon pivotante sur l'anneau rotatif 20, 22correspondant. Ainsi, une rotation des supports de pied de pale autour del'axe de calage des pales qu'ils portent permet de régler l'orientation deces dernières (on parle également de changement de pas de calage despales).
Le turboréacteur 2 comprend également un dispositif decommande de l'orientation des pales de chaque hélice 16, 18. Un teldispositif 16 pour la commande de l'orientation des pales 26 de l'héliceamont est représenté de façon schématique sur les figures 2 et 3. Bienentendu, ce dispositif s'applique tout aussi bien à l'orientation des pales del'hélice aval du turboréacteur.
De façon connue, le dispositif de commande comprendnotamment un vérin annulaire 34 centré sur l'axe longitudinal X-X duturboréacteur et un mécanisme de liaison reliant le vérin aux supports 30de pied des pales 26 de l'hélice amont.
Le vérin 34 entoure un carter annulaire fixe 36 du turboréacteuren lui étant solidaire de sorte à ce que sa partie statique (à savoir sa tige)soit immobilisée en rotation et en translation par rapport à celui-ci. Quantà la chambre 38 du vérin, elle est apte à se déplacer axialement (c'est-à-dire selon l'axe longitudinal X-X) et est reliée au mécanisme de liaison.
Le mécanisme de liaison comprend notamment un palier detransfert de mouvement 40 (appelé LTB pour « Load Transfert Bearing »)muni d'une bague interne 42 montée sur la chambre 38 du vérin 34 etd'une bague externe 44, les bagues interne et externe définissant despistes de roulement pour des roulements (ici deux rangées de billes 46).De la sorte, un déplacement axial de la chambre 38 du vérin entraîne unemême translation du palier de transfert de mouvement le long de l'axelongitudinal X-X.
Le vérin 34 et le palier de transfert de mouvement 40 sontlogées dans une enceinte huile 47 délimitée radialement entre le carter 36 et un moyeu de carter 49 espacé radialement vers l'extérieur par rapportau carter.
Le mécanisme de liaison comprend également des arbres decommande radiaux 48 (c'est-à-dire qui sont disposés radialement parrapport à l'axe longitudinal X-X du turboréacteur), chaque arbre decommande étant prévu pour le réglage de l'orientation (i.e. le calage dupas) d'au moins une pale 26 de l'hélice amont.
Plus précisément, les arbres de commande 48 peuvent s'étendrechacun selon un axe radial Z-Z qui est décalé axialement et/outangentiellement du ou des pieds de pale(s) commandée(s) par l'arbre(voir les figures 2 et 3 où l'axe radial Z-Z de l'arbre est décalé axialementpar rapport à l'axe de calage 26' de la pale 26). Ces arbres de commande48 sont aptes à pouvoir pivoter autour de leur axe radial Z-Z tout en étantsolidaire en rotation de l'anneau rotatif 20 entraînant en rotation l'héliceamont.
Conformément à l'invention, chaque arbre de commande 48 secompose de deux parties indépendantes l'une de l'autre et couplées entreelles, à savoir une partie interne 50 destinée à être montée par l'intérieurdu carter de moyeu 49, et une partie externe 52 destinée à être montéepar l'extérieur de la veine (c'est-à-dire du côté de l'anneau rotatif 20).
Plus précisément, au niveau de leur extrémité radiale externe,chaque arbre de commande 48 est couplé par sa partie externe 52 à aumoins un support de pied de pale 30 par tout moyen de couplage connuen soi. On pourra se référer par exemple à la demande de brevet françaisdéposée par la Demanderesse le 12 mai 2015 avec pour titre « Dispositif àarbre radial pour la commande de l'orientation des pales de soufflanted'une turbomachine à soufflante non carénée » qui décrit un exempled'une telle cinématique de couplage entre les arbres de commande 48 etles supports de pied de pale 30. Brièvement, cette demande de brevetdécrit un couplage dans lequel chaque arbre de commande permet decommander le calage d'au moins deux pales consécutives parl'intermédiaire d'excentriques mené et menant. De la sorte, un pivotementdes arbres de commande 48 autour de leur axe radial Z-Z entraîne unemodification du calage des pales 26 de l'hélice amont.
De plus, au niveau de leur extrémité radiale interne, la partieinterne 50 de chaque arbre de commande 48 comprend un bras de levier54 qui pivote avec l'arbre de commande autour de son axe radial Z-Z. Cebras de levier 54 peut être solidaire ou indépendant de la partie interne del'arbre de commande.
Les bras de levier 54 sont par ailleurs couplés à la bagueexterne 44 du palier de transfert de mouvement 40, par exemple parl'intermédiaire d'un doigt 56 porté par les bras de levier et coopérant avecune rotule coulissante 58 portée par la bague externe 44 du palier. Onpourra se référer à la demande de brevet français déposée par laDemanderesse le 12 mai 2015 avec pour titre « Dispositif à bras de levierpour la commande de l'orientation des pales de soufflante d'uneturbomachine à soufflante non carénée » qui décrit un exemple d'un telcouplage entre bras de levier et bague externe du palier de transfert demouvement.
Ainsi, comme représenté par la cinématique des figures 2 et 3,lorsque le vérin 34 est actionné, sa chambre 38 va déplacer axialement labague externe 44 du palier de transfert de mouvement, entraînant unpivotement des bras de levier 54 et un pivotement correspondant desarbres de commande 48 autour de leur axe radial Z-Z, et par la suite unerotation des supports de pied de pale 30 dans l'anneau rotatif 20 qui lesporte.
Bien entendu, le mécanisme de liaison entre les arbres decommandes 48 et le palier de transfert de mouvement 40 avec lacinématique qui en découle pourrait être différent. Par exemple, onpourrait imaginer recourir à des bielles de calage de pas entre les bras delevier et la bague externe du palier comme décrit dans la demande debrevet WO 2013/050704.
La partie interne 50 et la partie externe 52 de chaque arbre decommande 48 selon l'invention sont des pièces indépendantes l'une del'autre. En particulier, compte tenu de son faible encombrement, la partieinterne 50 peut être montée par l'intérieur du carter de moyeu 49, mêmesi celui-ci a un petit diamètre. De plus, lorsque cette partie interne estmontée sur le carter de moyeu, elle joue le rôle de bouchon pour limiterles risques de fuite d'huile hors de l'enceinte huile 47.
On notera que pour permettre une retenue et une libre rotationde la partie interne 50 des arbres de commande par rapport au carter demoyeu 49, un palier à roulement 60 peut être intercalé entre ces deuxéléments.
Quant à la partie externe 52 de l'arbre de commande, elle peutêtre montée par l'extérieur de la veine, c'est-à-dire du côté de l'anneaurotatif 20 en traversant un orifice prévu à cet effet dans celui-ci, ce quiévite d'avoir à démonter l'ensemble des mécanismes de l'enceinte huile 47lorsqu'il s'agit d'intervenir pour des opérations de maintenanceuniquement sur les pieds de pales sur l'anneau rotatif.
Le maintien de la partie externe de l'arbre de commande surl'anneau rotatif 20 s'effectue par exemple au moyen d'un écrou 62 centrésur l'axe radial Z-Z de l'arbre de commande et serré sur l'extrémitéextérieure de celui-ci.
Comme pour leur partie interne, on notera que pour permettreune retenue et une libre rotation de la partie externe 50 des arbres decommande par rapport à l'anneau rotatif 20, un palier à roulement 64peut être intercalé entre ces deux éléments, ce palier étant maintenu parserrage d'un autre écrou 66 sur l'anneau rotatif. Cet écrou 66 étantavantageusement accessible depuis l'extérieur, il est ainsi aisé de lemanipuler par l'extérieur pour monter/démonter la partie externe del'arbre de commande.
Par ailleurs, le système de retenue et de libre de rotation de lapartie externe de l'arbre de commande est avantageusement positionné àdistance des supports de pied de pale 30 afin que cette partie externepuisse être montable et démontable indépendamment des pales.
La partie interne 50 et la partie externe 52 de chaque arbre decommande 48 selon l'invention sont couplées entre elles par tout moyend'accouplement mécanique connu.
Par exemple, comme représenté plus en détails sur la figure 4,la partie externe 52 de l'arbre de commande peut porter sur sa périphérieextérieure des cannelures externes 68 s'étendant selon l'axe radial Z-Z etvenant coopérer avec des cannelures internes 70 de formescomplémentaires portées par la partie interne 50 de l'arbre de commandede sorte à assurer un tel couplage.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
  2. 1. Arbre de commande radial (48) pour dispositif de commandede l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine à soufflantenon carénée, ledit arbre comprenant une partie externe (52) qui estdestinée à être montée dans le dispositif de commande par l'extérieur decelui-ci et à être couplée à au moins une pale de soufflante (26, 28) pourle réglage de son orientation, et une partie interne (50), indépendante dela partie externe, qui est destinée à être montée par l'intérieur dudispositif de commande, à être reliée à un palier de transfert demouvement (40) pour faire pivoter ledit arbre de commande autour d'unaxe radial (Z-Z), et à assurer une fermeture d'une enceinte huile danslaquelle est logé ledit palier de transfert de mouvement, les partiesexterne et interne de l'arbre de commande étant couplées l'une à l'autre. 2. Arbre selon la revendication 1, dans lequel les deux partiesindépendantes (50, 52) de l'arbre sont couplées l'une à l'autre par descannelures (68, 70) de formes complémentaires.
  3. 3. Arbre selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel lapartie interne (50) de l'arbre comprend un bras de levier (54) destiné àêtre couplé à une bague externe (44) du palier de transfert demouvement (40).
  4. 4. Arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, danslequel la partie externe (52) de l'arbre comprend un systèmed'accouplement à au moins une pale de soufflante.
  5. 5. Arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, danslequel la partie interne (50) de l'arbre est destinée à être montée autravers d'un carter de moyeu (49) avec interposition d'un palier àroulement (60).
  6. 6. Arbre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, danslequel la partie externe (52) de l'arbre est destinée à être montée sur unanneau rotatif (20) et maintenu sur celui-ci par un écrou (62).
  7. 7. Procédé de montage d'un arbre de commande radial (48)selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant le montagede la partie externe (52) de l'arbre dans un dispositif de commande parl'extérieur de celui-ci, le montage de la partie interne (50) de l'arbre dansle dispositif de commande par l'intérieur de celui-ci, et le couplage despartie interne et externe entre elles.
  8. 8. Dispositif de commande de l'orientation des pales desoufflante d'une turbomachine à soufflante non carénée, comprenant aumoins un ensemble (16, 18) de pales de soufflante (26, 28) à orientationréglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif (20,22), les pales de soufflante étant couplées, pour le réglage de leurorientation, à au moins un arbre de commande radial (48) selon l'unequelconque des revendications 1 à 6, la partie externe (52) de chaquearbre de commande étant couplée à au moins une pale de soufflante et lapartie interne de chaque arbre de commande étant liée mécaniquement àun palier de transfert de mouvement (40) destiné à faire pivoter leditarbre de commande autour de son axe radial (Z-Z).
  9. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'anneau rotatif(20, 22) assure une retenue radiale et une libre rotation de la partieexterne (52) de l'arbre de commande.
  10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, comprenanten outre un carter de moyeu (49) qui assure une retenue radiale et unelibre rotation de la partie interne (50) de l'arbre de commande.
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