FR3060525A1 - Systeme d'actionnement electromecanique de pas pour une helice de turbomachine - Google Patents

Abstract

Système (22) d'actionnement de pas pour une hélice (10) de turbomachine, comprenant un actionneur (24) dont une partie mobile (26) est configurée pour être reliée à des pales (14) de l'hélice en vue de les déplacer en rotation par rapport aux axes (B) de calage de pas des pales, caractérisé en ce que l'actionneur est un actionneur électromécanique, en ce qu'il comprend : - une vis de transmission (26) mobile en rotation et en translation le long d'un axe longitudinal (A), un écrou (28) traversé par ladite vis de transmission et coopérant avec cette vis afin de se déplacer en translation le long de l'axe (A) en vue de modifier le pas des pales de l'hélice et des moyens de découplage ((80, 82, 83, 84, 87) entre la rotation de l'hélice et ledit écrou, fixe en rotation, - des premiers moyens (25) de contrôle de pas des pales, qui comportent au moins un moteur électrique (40a, 40b) d'entraînement configuré pour entraîner la vis de transmission en rotation et en translation, - des moyens de blocage de la rotation de la vis de transmission configurés pour la bloquer en rotation lorsque les premiers moyens de contrôle de pas des pâles fonctionnent et la libérer en rotation lorsque des seconds moyens (50) de mise en drapeau des pales fonctionnent.

Description

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un système d’actionnement de pas pour une hélice de turbomachine, telle qu’un turbopropulseur.

ETAT DE L’ART

Un turbopropulseur comprend au moins une hélice comportant un moyeu et des pales portées par le moyeu et s’étendant sensiblement radialement vers l’extérieur par rapport au moyeu et à l’axe de rotation de l’hélice.

Le turbopropulseur est en général équipé d’un système d’actionnement du pas d’hélice, aussi appelé système de calage angulaire des pales de l’hélice. La régulation du calage des pales d’hélice permet d’améliorer leur efficacité en garantissant une vitesse de rotation de l’hélice pour chaque phase de vol.

Chaque pale est déplaçable en rotation autour d’un axe, en général radial, entre une première position de secours dite de mise en drapeau dans laquelle elle s’étend sensiblement parallèlement à l’axe de rotation de l’hélice, et une seconde position dans laquelle elle est fortement inclinée par rapport à cet axe. Elle peut adopter n’importe quelle position entre ces deux positions extrêmes.

Dans la technique actuelle, le système d’actionnement utilisé est un système hydraulique, qui est relativement complexe et présente plusieurs inconvénients. Ce système comprend un actionneur dont une partie mobile est reliée aux pales de l’hélice en vue de leur calage.

Le système d’actionnement doit non seulement pouvoir assurer la fonction de contrôle de pas mais également la fonction de secours de mise en drapeau des pales. Le système d’actionnement de pas comprend donc un système auxiliaire pour la fonction de secours.

La panne liée à la fuite hydraulique, mode commun entre le système de contrôle de pas et le système auxiliaire, doit être couverte. En l’absence de source de pression, il est indispensable d’ajouter des contrepoids au niveau des pales pour assurer la fonction de mise en drapeau.

Le système d’actionnement de pas doit aussi assurer des fonctions de protection en cas de survitesse, en cas de moteur à l’arrêt, en cas de défaillance du calculateur FADEC (acronyme de Full Authority Digital Engine Control), et assurer la limitation des petits pas en vol. Un ensemble de systèmes mécaniques et de systèmes hydrauliques fait donc partie du système d’actionnement de pas pour assurer ces fonctions dans la technique actuelle.

Le système de contrôle de pas est aussi soumis à des exigences très contraignantes de taux de pannes, qui impliquent des redondances et des systèmes complémentaires de protection.

En conclusion, la technologie et le principe de fonctionnement d’un système hydraulique d’actionnement du pas d’hélice sont actuellement complexes. Une multitude de composants hydrauliques intègrent ces systèmes.

La présente invention permet de remédier à ces inconvénients et apportent une solution à tout ou partie des problèmes de la technique actuelle exposés ci-dessous.

Le premier problème (problème A) concerne les exigences sévères FHA (acronyme de Functional Hazard Assessment) du contrôle de pas, qui impliquent des architectures robustes avec redondance.

Le deuxième problème (problème B) concerne la fonction de mise en drapeau, qui doit pouvoir être assurée même après une défaillance des moyens de contrôle de pas.

Le troisième problème (problème C) concerne le risque de blocage de la partie mobile de l’actionneur. Dans un système hydraulique, la rotation d’une pale de l’hélice est obtenue par la translation d’un excentrique au pied de la pale. Le blocage axial du vérin hydraulique est considéré comme une défaillance.

Par ailleurs, dans un système hydraulique, la rotation de l’hélice est transmise à l’actionneur hydraulique positionné dans le repère tournant (piston et corps sans déplacement angulaire). Ce vérin est alimenté par des canalisations via un tiroir hydraulique positionné dans le repère fixe. Dans ce concept hydraulique, la rotation de l’hélice ne provoque pas de décalage du pas de l’hélice. Le quatrième problème (problème D) concerne la gestion de ce phénomène.

Enfin, le cinquième problème (problème E) concerne les fonctions de protection autres que celle couvrant la défaillance du contrôle de pas, qui requièrent des dispositifs complémentaires mécaniques et hydrauliques dans un système hydraulique de la technique actuelle.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’invention propose un système d’actionnement de pas pour une hélice de turbomachine, comprenant un actionneur dont une partie mobile est configurée pour être reliée à des pales de l’hélice en vue de les déplacer en rotation par rapport aux axes de calage de pas des pales, caractérisé en ce que l’actionneur est un actionneur électromécanique, et en ce qu’il comprend :

- une première vis de transmission mobile en rotation et en translation le long d’un axe longitudinal,

- un premier écrou traversé par ladite première vis de transmission et coopérant avec cette vis afin de se déplacer en translation le long de l’axe,

- des moyens qui sont configurés pour qu’un déplacement en translation du premier écrou entraîne une modification du pas des pales de l’hélice mais qu’un déplacement en rotation de l’hélice n’entraîne pas un déplacement en rotation de l’écrou,

- des premiers moyens de contrôle de pas des pales, qui comportent au moins un moteur électrique d’entraînement d’un premier rotor autour de l’axe, un second écrou entraîné en rotation autour de l’axe par ledit premier rotor et une seconde vis de transmission qui est solidaire de la première vis de transmission et qui coopère avec le second écrou en rotation en vue de se déplacer en rotation ou en translation sur l’axe,

- des seconds moyens de mise en drapeau des pales, qui comportent au moins un moteur électrique d’entraînement d’un second rotor autour de l’axe,

- des moyens de liaison configurés pour qu’une rotation du second rotor entraîne une rotation de la première vis et de la seconde vis de transmission sans translation,

- des moyens de blocage configurés pour bloquer une rotation de la seconde et de la première vis de transmission lorsque ledit au moins un moteur des premiers moyens de contrôle de pas des pâles fonctionne, et pour libérer la rotation de la seconde et de la première vis de transmission lorsque ledit au moins un moteur des seconds moyens de mise en drapeau fonctionne.

Avec ce système d’actionnement, une activation des moteurs électriques des premiers moyens permet de contrôler le pas de l’hélice car elle entraîne une translation de la première vis de transmission, donc du premier écrou, car la rotation de la seconde vis de transmission est bloquée dans le second écrou par les moyens de blocage. Par contre, lorsque le moteur électrique des seconds moyens est activé, par exemple parce que les premiers moyens sont en panne, la désactivation des moyens de blocage permet la mise en rotation des vis de transmission pour mettre en translation le premier écrou afin de mettre les pales de l’hélice en drapeau.

Avantageusement, le système n’est pas configuré pour activer en parallèle les moteurs électriques du premier et second rotor, ce qui permet de diminuer la complexité de fonctionnement de cette configuration. La vis de transmission est entraînée en translation uniquement lors du contrôle de pas avec rotation bloquée par le frein et en rotation uniquement lors de la mise en drapeau pour couvrir le cas de blocage de la seconde vis de transmission avec le second écrou.

L’actionneur hydraulique de la technique antérieure est ainsi remplacé par un actionneur électromécanique dont la partie mobile comprend une vis de transmission. Le déplacement en rotation des pales est obtenu par une translation de l’écrou sur la première vis de transmission, qui est entraînée soit par le premier rotor en translation, soit par le second rotor en en rotation lors d’un blocage de cette vis dans le second écrou.

Dans un système hydraulique, la rotation d’une pale de l’hélice est obtenue par la translation d’un excentrique au pied de la pale. La défaillance issue du blocage axial du vérin hydraulique (problème C), qui génère cette translation, est considérée comme extrêmement peu probable. Cette valeur faible du taux de panne semble être consolidée par les retours d’expérience. Avec le système selon l’invention, le système de base comporte une redondance de la vis de transmission :

- si la première vis de transmission est bloquée dans le premier écrou cas peu probable car cette première vis n’est pas active lors du contrôle de pas, le contrôle de pas et la mise en drapeau peuvent toujours être effectués par le premier rotor, qui entraîne la seconde vis de transmission en translation, donc la première vis de transmission, par la rotation du second écrou ;

- si la seconde vis de transmission est bloquée dans le second écrou cas plus probable car cette seconde vis est active lors du contrôle de pas, la mise en drapeau peut toujours être effectuée-par le second rotor, qui entraîne la première vis de transmission en rotation pure (la translation étant bloquée par le second écrou); en effet, sans activer le moteur électrique des premiers moyens, le second écrou est entraîné en rotation par la seconde vis et la première vis de transmission qui était en mode passif bascule en mode actif.

De préférence, lesdits moyens de blocage sont configurés pour bloquer une rotation de la première vis de transmission lorsque ledit au moins un moteur des seconds moyens de mise en drapeau est à l’arrêt.

De cette manière, les premiers moyens peuvent contrôler le pas des pales en entraînant une translation pure de la première vis de transmission en maintenant inactifs les seconds moyens de mise en drapeau.

De préférence, le système est configuré pour désactiver lesdits moyens de blocage sont configurés en cas de blocage de la seconde vis de transmission dans le second écrou.

Le surdimensionnement de la vis est une solution au problème précité C. Cependant, le dimensionnement en fatigue de la vis n’englobe pas tous les aspects liés aux différents cas de panne (pollution, givrage, etc.). L’invention permet de répondre de manière satisfaisante à ce besoin en permettant l’entraînement en rotation de la première de transmission par la rotation du second rotor en cas de blocage de la seconde vis de transmission dans le second écrou.

En ce qui concerne le problème E, le concept proposé ne requiert aucun dispositif complémentaire contrairement au système hydraulique, pour couvrir les fonctions de protection autres que celle couvrant la défaillance du contrôle de pas. Dans un système hydraulique, le cas de moteur à l’arrêt ou de perte de puissance moteur conduit à une suppression de l’énergie hydraulique de la pompe accouplée au moteur, donc un système auxiliaire est à prévoir. Dans un système électromécanique, pour ces cas de panne, l’énergie électrique est délivrée par une source indépendante. La fonction de mise en drapeau reste donc active pour couvrir ces cas de panne, de préférence via un boîtier de protection. Dans un système hydraulique, le cas de survitesse est couvert par un système mécanique de contrepoids. Dans le système électromécanique, de préférence grâce à un retour de vitesse, les lois de contrôle moteur peuvent agir sur les moteurs électriques de contrôle de pas via le boîtier de protection pour assurer la mise en drapeau.

Par ailleurs, le découplage de la rotation de l’hélice avec l’actionneur permet de maintenir le pas des pales sans faire tourner les moteurs électriques lors de la rotation de l’hélice, ce qui diminue la consommation d’énergie et minimise l’usure des moteurs. Sans ce découplage, la taille des machines tournantes et du boîtier électronique seraient pénalisée car dépendante de la puissance électrique à délivrer.

En outre, le fait que les premier et second moyens de contrôle aient des moyens de liaison agissant directement sur la première vis de transmission permet de maintenir leurs stators et leurs rotors dans un carter fixe, et donc de diminuer la complexité de la transmission d’énergie vers les moteurs.

Avantageusement, un frein électromagnétique lié au second rotor forme lesdits moyens de blocage en rotation de la première vis de transmission.

Avantageusement, lesdits premiers moyens comportent deux moteurs électriques, de préférence synchrones, d’entraînement d’un même premier rotor. Le choix de la technologie et la stratégie du dimensionnement de ces moyens électriques permettent de minimiser le couple de court-circuitage et d’aboutir à des tailles raisonnables de moteurs. La redondance électrique au niveau des moteurs électriques permet de respecter les exigences de fiabilité FHA (problème A). Pour conserver une architecture simple, il est ici proposé de communaliser les rotors des moteurs électriques. Ceci permet de ne conserver qu’une seule chaîne de transmission et d’avoir un système relativement compact. Le concept proposé offre cet avantage.

Le système proposé est de préférence capable d’assurer la fiabilité requise par une redondance électrique au niveau des composants électriques, au niveau de la commande et au niveau des circuits d’alimentation indépendants commandés par un calculateur. Ce système est alors capable d’assurer sa fonction de contrôle de pas même en cas de court-circuit dans l’alimentation électrique.

Ce concept électromécanique peut ne requérir aucune énergie mécanique provenant de la turbomachine. Les cas de panne de la perte de puissance moteur et du moteur à l’arrêt peuvent donc être assurés via un boîtier de protection par le système électromécanique nominal sans aucun dispositif complémentaire. Ce concept électromécanique permet de couvrir également le cas de survitesse et la défaillance du FADEC sans dispositif complémentaire.

Le système selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- ledit premier rotor est relié à la seconde vis de transmission par un premier réducteur, par exemple planétaire,

- une partie des moyens de liaison entre la première vis de transmission et le second rotor est reliée audit second rotor par un second réducteur, par exemple planétaire,

- un porte-satellites du ou de chaque réducteur est guidé en rotation par une paire de paliers à contacts obliques et inversés,

- lesdits premiers moyens comprennent au moins deux résolveurs,

- le moteur électrique desdits seconds moyens est un moteur asynchrone ; le choix de ce type de moteur électrique pour la mise en drapeau permet de réduire le boîtier de contrôle et de supprimer tout couple résistif lié à un court-circuitage (problème B),

- lesdits moteurs électriques comprennent des stators portés par un carter fixe, et

- les deux moteurs électriques desdits premiers moyens sont reliés respectivement à deux boîtiers électroniques de contrôle séparés.

La présente invention concerne également une turbomachine, telle qu’un turbopropulseur, comprenant une hélice dont les pales sont à pas variable et un système tel que décrit ci-dessus, dans laquelle le premier écrou entraîne des moyens qui coopèrent avec des excentriques prévus sur des platines de support et de rotation des pales.

La présente invention concerne enfin un procédé d’actionnement de pas des pales d’une hélice de turbomachine, au moyen d’un système tel que décrit ci-dessus, comprenant les étapes consistant à :

- modifier le pas des pales en actionnant au moins un moteur des premiers moyens de contrôle du pas ainsi que les moyens de blocage en rotation de la première vis de transmission, de façon à ce qu’une rotation du second écrou entraîne, en coopérant avec la seconde vis de transmission, un déplacement axial de la première vis de transmission et du premier écrou,

- mettre les pales en drapeau en actionnant au moins un moteur des seconds moyens de mise en drapeau, de façon à ce qu’une rotation du second arbre entraîne une rotation de la première vis de transmission.

On notera que cette étape n’est normalement envisagée qu’en cas de blocage de la seconde vis de transmission dans le second écrou, de ce fait la translation de cette vis est bloquée.

DESCRIPTION DES FIGURES

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d’un système d’actionnement de pas des pales selon l’invention associé à une hélice de turbomachine ; et

- la figure 2 est un schéma bloc représentant l’architecture générale du système d’actionnement et des moyens de commande électrique du système de la figure 1.

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère d’abord à la figure 1.

ίο

Une hélice 10 de turbomachine, et en particulier de turbopropulseur est en général non carénée et comprend un moyeu 12 mobile (flèche ΘΗ de la figure 1) d’axe A de rotation, le moyeu portant des pales 14 qui s’étendent sensiblement radialement par rapport à l’axe A. Chaque pale 14 est reliée à son extrémité radialement interne à une platine 16 sensiblement cylindrique de support et de guidage en rotation de la pale en vue de son calage en rotation autour d’un axe B, ici sensiblement radial. La platine 16 de chaque pale 14 est montée dans un logement du moyeu 12 et est centrée et guidée dans ce logement par des paliers 18 s’étendant autour de l’axe B. L’extrémité radialement interne de chaque pale comprend un excentrique 20. Celui-ci est relié solidairement à la platine 16 et un système d’actionnement 22 peut le déplacer en rotation autour de l’axe B. Le déplacement des excentriques 20 entraîne un déplacement en rotation des platines 16 et donc des pales 14 autour des axes B. Chaque pale 14 peut être calée à un pas ou dans une position donnée autour de son axe B, entre deux positions extrêmes, dont l’une, appelée mise en drapeau, correspond au cas où la corde de la section transversale de la pale s’étend sensiblement parallèlement à l’axe A.

Dans la technique antérieure, le système d’actionnement était hydraulique, et présentait de nombreux inconvénients. La figure 1 montre un système d’actionnement électromécanique.

Le système d’actionnement 22 de la figure 1 comprend un actionneur électromécanique 24 comprenant un carter fixe 32 et une partie mobile qui comprend une vis de transmission 26 qui est associée à un écrou 28.

La vis de transmission est mobile en rotation autour de l’axe A (flèche Θ) et en translation le long de cet axe (flèche X).

L’écrou 28 est guidé en translation par rapport au moyeu 12 par des moyens 87 d’anti-rotation de l’écrou 28 sur la vis de transmission 26. Ces moyens 87 comprennent ici un doigt axial porté par le carter 32 et engagé dans un logement de forme complémentaire de l’écrou 28. L’écrou 28 est ainsi agencé pour être mobile en translation par rapport à l’axe A dans le même repère fixe.

La vis de transmission 26 traverse l’écrou 28 et comprend donc un filetage complémentaire à celui de l’écrou. On comprend que la rotation de la vis de transmission 26 (flèche θ de la figure 1) entraîne un déplacement en translation de l’écrou 28 suivant l’axe A (flèche X’). La vis de transmission 26 a avantageusement une fonction de réversibilité en ce sens qu’elle est apte à être soumise par l’actionneur à un couple de rotation de façon à coopérer avec l’écrou et le déplacer, et également à être soumise par l’écrou à des efforts axiaux provoquant une mise en rotation de la vis de transmission. Sur ce point, elle se distingue d’une vis sans fin qui a une fonction d’irréversibilité.

La vis de transmission 26 est également apte à être soumise à des efforts axiaux par l’actionneur 24. On comprend dans ce cas qu’un déplacement axial (flèche X) de la vis de transmission entraîne un déplacement axial (flèche X’) de l’écrou 28, qui sera de même valeur si la vis de transmission est également bloquée en rotation (Θ = 0).

Le couplage avec les excentriques 20 des pales 14, en vue de leur déplacement en rotation par rapport à l’axe B, s’effectue grâce à des moyens de découplage décrits ci-après.

L’organe 80 est mobile en translation et en rotation vis-à-vis de l’axe A. Il comprend des orifices de réception des excentriques 20 des pales 14 et est ainsi rendu solidaire en rotation des pales 14. Il est donc destiné à tourner avec l’hélice 10 autour de l’axe A suivant sa rotation ΘΗ. Ses déplacements en translation le long de l’axe A permettent de déplacer les excentriques et donc les pales 14 autour de leurs axes B.

L’organe 80 comprend une extrémité cylindrique engagée dans un trou borgne d’un manchon 81. L’écrou 28 et le manchon 81 sont entourés par une bague 82 mobile. Un premier palier à roulements 83 (ici à billes) à contact oblique est monté entre l’écrou 28 et la bague 82 et un second palier à roulements 84 (à billes) à contact oblique est monté entre le manchon 81 et la bague 82. De façon classique, la bague interne de chaque palier 83, 84 est solidaire en rotation, respectivement, de l’écrou 28 ou du manchon 81, et sa bague externe est solidaire en rotation de la bague 82.

Les paliers 83, 84 à contact oblique permettent de transmettre la translation X’ de l’écrou 28 à l’organe 80 et puis aux excentriques 20 soumis à la rotation de l’hélice 10. Le déplacement des excentriques 20 entraîne à son tour une rotation des pales 14 par rapport à l’axe B. Le déplacement des excentriques dépend de l’équilibre entre l’effort externe et l’effort développé par l’actionneur 24 par l’intermédiaire de la vis de transmission 26.

Par contre, la rotation ΘΗ de l’hélice est découplée du mouvement de l’écrou 28 grâce au palier à contact oblique 84. Le mouvement de l’écrou 28 peut donc se limiter à de la translation.

De plus, le maintien du pas des pales de l’hélice ne nécessite pas de mise en rotation de la vis de transmission 26, puisque son mouvement de rotation est découplé de celui de l’hélice par le mécanisme décrit plus haut.

Par ailleurs, un moteur électrique 85 est monté entre l’écrou 28 et la bague 82 et comprend un stator solidaire de l’écrou et un rotor solidaire de la bague. Ce moteur 85 est associé à un capteur 86 qui est également monté entre l’écrou 28 et la bague 82 et comprend un élément de stator solidaire de l’écrou et un élément de rotor solidaire de la bague. Le capteur est du type à effet Hall ou inductif pour contrôler la rotation de la bague extérieure.

Les moyens de découplage comportent en outre un dispositif permettant à l’arrêt de contrôler l’état des deux paliers 83, 84. Ce dispositif se compose des éléments du moteur 85 et du capteur 86. A l’arrêt moteur, le moteur 85 entraîne en rotation la bague extérieure des deux paliers 83, 84 en délivrant un couple suffisant pour vaincre le frottement de ces deux paliers. La rotation de la bague extérieure est ensuite contrôlée par le capteur 86. En cas de grippage ou de vieillissement d’un seul des deux paliers, la dégradation peut s’observer aussi bien par la valeur du courant du moteur que par la rotation de la bague extérieure. Ce dispositif supprime donc tout risque de panne dormante avant vol. En cas de blocage d’un des paliers à contact oblique, l’autre assure le découplage et évite la casse des moyens d’anti-rotation.

Ce concept électromécanique, grâce au découplage de la rotation de l’hélice et de son dispositif de contrôle, permet de réduire la puissance de l’actionneur, la taille de tous les composants électriques et la taille de tous les composants mécaniques par un soulagement des sollicitations.

Le système d’actionnement 22 comprend en outre au moins un capteur 46 du type LVDT (acronyme de l’anglais Linear Variable Differential Transformer). Dans l’exemple représenté, la vis de transmission 26 comprend un alésage axial interne dans lequel est engagé de manière coulissante un plongeur 46a ferromagnétique de LVDT porté par un capot arrière 48 de l’actionneur 22, qui est lui-même fixé au carter fixe 32. Bien que cela ne soit pas représenté, le plongeur 46a est entouré de plusieurs bobinages portés par la vis de transmission 26, dont au moins un bobinage primaire alimenté par un courant alternatif et deux bobinages secondaires. Ces bobinages sont de préférence redondés pour augmenter la fiabilité du système. Le déplacement axial du plongeur 46a à l’intérieur des bobines, canalise le flux et génère des tensions dans les bobinages secondaires dont les amplitudes dépendent de la position de celui-ci. Le capteur 46 fournit ainsi une tension proportionnelle au déplacement du plongeur 46a.

Ici, la partie mobile de l’actionneur comprend en outre une tige 70 centrée sur l’axe longitudinal A, qui s’enfonce dans le carter 32 et qui comporte :

- à son extrémité tournée vers l’hélice 10, la première vis de transmission 26, destinée à participer au dispositif de couplage avec les excentriques 20,

- une deuxième vis 68 située sur le corps de la tige, destinée à participer à un dispositif de couplage avec des premiers moyens 25 de contrôle de pas décrits dans la suite,

- à son extrémité opposée à l’hélice 10, un dispositif 72 destiné à participer à un dispositif de couplage avec des seconds moyens 50 de mise en drapeau.

Les premiers moyens 25 de contrôle de l’actionneur 24 comprennent des premiers moyens électriques 36 de contrôle de pas des pales qui entraînent un rotor 30. Le rotor 30 a une forme allongée d’axe A et est ici guidé dans le carter fixe 32 par au moins un palier 34. Le palier 34, ici à roulement et plus spécifiquement à billes, est monté à l’extrémité axiale du rotor 30, opposée à l’hélice (extrémité à gauche sur le dessin).

Dans l’exemple représenté, ces moyens électriques 36 comprennent deux résolveurs 38a, 38b et deux moteurs électriques 40a, 40b, qui sont ici des machines synchrones. Les résolveurs 38a, 38b sont disposés à côté l’un de l’autre et ont pour axe commun, l’axe A. Les moteurs électriques 40a, 40b sont disposés à côté l’un de l’autre et ont également pour axe commun, l’axe A. Les résolveurs 38a, 38b sont ici disposés entre le palier 34 et les moteurs électriques 40a, 40b.

Chaque résolveur 38a, 38b comprend un rotor de résolveur monté sur le rotor commun 30, et un stator de résolveur solidaire du carter 32. Les rotors et stators de résolveur sont en général composés de bobinages. De façon connue, un résolveur permet d’obtenir une valeur électrique à partir d’un changement d’angle d’un rotor. Un résolveur fonctionne comme un transformateur dont le couplage varie avec l'angle mécanique du rotor. Lorsqu'on excite le bobinage rotor avec une tension alternative, on récupère une tension alternative sur le bobinage du stator. La redondance liée à l’utilisation de deux résolveurs 38a, 38b au lieu d’un, permet de garantir les exigences de fiabilité évoquées plus haut.

Chaque moteur électrique 40a, 40b est ici du type machine synchrone et comprend un rotor monté sur le rotor commun 30, et un stator solidaire du carter 32. Le rotor peut se composer d'aimants permanents ou être constitué d'un bobinage alimenté en courant continu et d'un circuit magnétique (électro-aimant). Pour produire du courant, on utilise une force extérieure pour faire tourner le rotor : son champ magnétique, en tournant, induit un courant électrique alternatif dans les bobines du stator. La vitesse de ce champ tournant est appelée « vitesse de synchronisme ». La vitesse de synchronisme est directement liée à la fréquence de l'alimentation électrique. Les moteurs sont ici alimentés par un système de courants triphasés.

Le couplage de la deuxième vis 68 avec les premiers moyens électriques 36 s’effectue de la manière décrite ci-après.

Comme on le voit dans le dessin, un écrou 71 est entraîné par le rotor commun 30 à l’aide d’un réducteur à engrenages 42, qui est ici un réducteur planétaire ou à train épicycloïdal. Ce réducteur 42 comprend un arbre planétaire 42a solidaire en rotation du rotor commun 30, une couronne extérieure 42b entourant l’arbre planétaire et solidaire du carter 32, des satellites 42c engrenant avec l’arbre planétaire 42a et la couronne 42b, et portés par un porte-satellites 42d qui est ici solidaire en rotation de la vis de transmission 26. Dans l’exemple représenté, l’écrou 71 et le portesatellites 42d sont formés d’une seule pièce.

La pièce comportant le porte-satellites 42d et l’écrou 71 est centrée et guidée dans le carter 32 par une paire de paliers à roulements, ici à billes. Ces paliers 44 sont à contact oblique. Ils sont inversés et montés l’un à côté de l’autre à l’extrémité axiale de l’actionneur 24 située du côté de l’hélice 10 (extrémité à droite sur le dessin).

L’écrou 71 est donc fixe en translation et participe au maintien dans le carter fixe 32 du rotor 30 des premiers moyens électriques 36.

L’écrou 71 est traversé par la deuxième vis de transmission 68. L’écrou 71 coopère avec la deuxième vis de transmission 68. Du fait de la position fixe de l’écrou sur l’axe A, une rotation Θ’ de l’écrou 71 autour de l’axe A entraîne un déplacement en translation de la deuxième vis de transmission 68 sur l’écrou le long de l’axe A. Ainsi, l’ensemble formé par la vis de transmission 68 et l’écrou 71 est à trois degrés de liberté : la vis de transmission 68 a deux degrés de liberté (en translation et en rotation vis-àvis de l’axe A - respectivement flèches X et Θ), et l’écrou 71 n’a qu’un degré de liberté (en rotation - la flèche θ’) mais aucun mode de fonctionnement que ce soit le contrôle de pas ou la mise en drapeau n’induira simultanément une rotation et une translation de la seconde vis de transmission. Cette vis est entraînée soit en rotation pure lors de la mise en drapeau soit en translation pure lors du contrôle de pas.

De manière générale, on comprend qu’une rotation Θ et une translation X de la deuxième vis de transmission 68 correspondent respectivement à une rotation Θ et à un déplacement axial équivalents X de la première vis de transmission 26 et du dispositif 72.

Le turbopropulseur est équipé d’un système auxiliaire 50 de mise en drapeau des pales 14, qui est ici électromécanique. Le système 50 est intégré à l’actionneur 24 et comprend un moteur électrique 52, qui est sur l’exemple une machine asynchrone (pour ne pas générer de couple résistif en cas de court-circuitage).

Le stator du moteur électrique 52 des moyens 50 de mise en drapeau est fixé au carter 32, entre le capot arrière 48 de l’actionneur 24 et le palier 34 des premiers moyens électriques. Le rotor du moteur électrique 52 est monté sur un arbre 60 qui est indépendant du rotor 30 de l’actionneur 24.

L’arbre 60 est guidé en rotation autour de l’axe A au moyen d’un palier à roulements, ici à billes, monté entre l’arbre 60 et le carter 32.

Le couplage du dispositif 72 avec les seconds moyens électriques 52 s’effectue de la manière décrite ci-après.

L’arbre 60 entraîne en rotation un dispositif d’engrenages 73 par l’intermédiaire d’un réducteur à engrenages 64, qui est ici également un réducteur planétaire.

Ce réducteur 64 comprend un arbre planétaire 64a solidaire en rotation de l’arbre 60, une couronne extérieure 64b entourant l’arbre planétaire et solidaire du carter 32, et des satellites 64c engrenant avec l’arbre planétaire 64a et la couronne 64b et portés par un porte-satellites 64d qui est ici solidaire en rotation du dispositif d’engrenage 73. Dans l’exemple représenté, l’écrou 71 et le porte-satellites 64d sont formés d’une seule pièce.

Le dispositif d’engrenage 73 coopère avec le dispositif 72 de la tige 70 de manière à solidariser le mouvement de rotation Θ de la tige 70 avec celui du porte-satellites 64d et à lui permettre un glissement axial X de la tige 70 par rapport au porte-satellites 64d, qui est fixe.

Le dispositif d’engrenage 72 peut, par exemple, correspondre à un chariot glissant sur des roulements à billes le long d’une tige, le dispositif 73 étant alors une patte radiale sortant de la tige 70 et fixée au chariot. La longueur de la course du chariot correspond alors au débattement recherché pour le déplacement axial d’ensemble X des première 26 et seconde 68 vis de transmission.

Par ailleurs, l’arbre 60 des seconds moyens électriques 52 est couplé à un frein électromagnétique 74 anti-rotation qui peut être activé (en mode actif le frein est alimenté et l’anti-rotation non activée, en mode non actif le frein est non alimenté et l’anti-rotation activée) quand la machine asynchrone 52 est en fonctionnement. Ici, l’arbre 60 traverse le couvercle 48 du carter 32, le frein électromagnétique 74 étant à l’extérieur.

Dans une variante, non représentée, la machine asynchrone 52 est remplacée par une machine synchrone à couple réluctant, dont le couple réluctant résiduel à l’arrêt est agencé pour bloquer les mouvements de rotation de l’arbre 60 et donc la rotation Θ des vis des transmissions 26, 68.

On comprend donc, par rapport au fonctionnement de la première vis de transmission 26 et du premier écrou 28 pour modifier le pas des pales de l’hélice 10, que :

- le fonctionnement des premiers moyens électriques 36 entraîne un déplacement axial X de la vis de transmission 26, par l’intermédiaire d’une rotation du second écrou 71, les seconds moyens électriques 52 étant à l’arrêt et les vis de transmissions 26, 68 étant bloquées en rotation par le frein électromagnétique 74;

On comprend donc, par rapport au fonctionnement de la première vis de transmission 26 et du premier écrou 28 pour la mise en drapeau que :

- le fonctionnement des seconds moyens électriques 52 entraîne une rotation Θ de la vis de transmission 26 par l’intermédiaire des dispositifs d’engrenages 72, 73 lors du blocage de la seconde vis de transmission 68 dans le second écrou 71.

On se réfère désormais à la figure 2 qui représente de manière schématique le schéma électrique de principe du fonctionnement du système de la figure 1.

Les éléments décrits dans ce qui précède sont désignés par les mêmes chiffres de référence dans la figure 2.

La figure 2 montre notamment les moyens de commande des machines électriques du système, à savoir, dans le cas où la redondance s’applique à toutes ces machines, deux capteurs 46 LVDT, deux résolveurs 38a, 38b, et deux moteurs électriques 40a, 40b.

Les moyens de commande comprennent notamment deux boîtiers électroniques de contrôle 54a, 54b ségrégués qui sont chacun reliés à un résolveur, un capteur et un moteur électrique, et qui ont la capacité de piloter ces machines de manière indépendante.

Les boîtiers 54a, 54b fonctionnent en mode « passif-actif ». En mode nominal, le pas est piloté par le boîtier électronique 54a par exemple, et le boîtier électronique 54b est en mode passif. En cas de panne détectée par une erreur de position par exemple, le boîtier 54a est désactivé et le boîtier 54b est activé. Les boîtiers 54a, 54b comportent trois boucles locales d’asservissement imbriquées : une boucle de couple utilisant les mesures de courant de phase, une boucle de vitesse utilisant le résolveur, et une boucle de position linéaire utilisant le capteur LVDT. Les boîtiers 54a, 54b reçoivent la consigne de position respectivement de boîtiers calculateurs 56a, 56b et sont associés à des réseaux électriques 58a, 58b, pour envoyer une commande en courant aux moteurs 40a, 40b.

Bien que cela ne soit pas représenté dans la figure 2, les moyens de commande comprennent en outre un dispositif indépendant d’alimentation électrique du moteur électrique 52.

L’architecture comporte ainsi deux chaînes de transmission, l’une 25 dédiée au contrôle du pas des aubes, l’autre 50 dédiée à la mise en drapeau uniquement lors du blocage de la seconde vis de transmission 68 dans le second écrou 71. Chacune d’elle comporte une vis de transmission. Ces deux vis de transmission ont ici des modes de fonctionnement totalement différents. Cette combinaison asymétrique a été étudiée pour qu’en cas de blocage d’une des deux vis, la fonction de mise en drapeau puisse toujours être activée.

De plus, lors de la commande de pas ou lors de la mise en drapeau une seule vis de transmission est active, tandis que l’autre est passive.

En effet, lors de la commande de pas, les moyens électriques 36 sont activés pour mettre en rotation l’écrou 71, tandis que le frein électromagnétique 74 bloque toute rotation de l’ensemble des deux vis de transmission 26, 68. La rotation Θ’ de l’écrou 71 entraîne donc un déplacement axial X de la deuxième vis de transmission 68, transmis à la première vis 26. Le dispositif d’engrenages 72, 73 laisse libre ce déplacement. Le déplacement axial X de la première vis 28 entraîne à son tour un déplacement axial des excentriques 20, selon le fonctionnement du mécanisme de découplage décrit plus haut.

Lors de la mise en drapeau uniquement fonctionnelle lors du blocage de la seconde vis de transmission 68 dans le second écrou 71, le frein électromagnétique est débloqué et les moyens électriques 52 sont activés.

Ils entraînent donc en rotation θ les vis de transmission 26, 68 par la coopération des dispositifs d’engrenage 72, 73. Dans ce cas les moyens électriques 36 de commande ne sont pas pilotés, l’écrou 71 bloqué en translation bloque également en translation la seconde vis de transmission 68. L’écrou 71 tourne avec la vis de transmission 68.La rotation des vis 68, 26 permet de contrôler ensuite le déplacement de l’écrou 28, bloqué luimême en rotation par le dispositif d’anti-rotation 87, ce qui entraîne le déplacement axial des excentriques 20. Le contrôle de pas, quant à lui, peut aussi être assuré par ce mécanisme en activant les moyens de mise en drapeau.

Lorsque la première vis 26 est bloquée dans l’écrou 28, le contrôle de pas peut toujours s’effectuer normalement, et la mise en drapeau est alors assurée par les moyens de contrôle de pas.

. Lorsque la seconde vis 68 est bloquée dans l’écrou 71, le dispositif magnétique 74 libère en rotation la vis bloquée dans son écrou. Ce concept électromécanique a été étudié dans son principe pour couvrir tous les cas de panne.

Ce concept du type électromécanique pour le système d’actionnement de pas est très innovant car il offre les avantages suivants :

- architecture simple et robuste avec un minimum de composants électromécaniques en respectant les critères de fiabilité contraignants,

- fonctionnement avec une vis active et l’autre passive,

- insertion d’un système de découplage de la rotation de l’hélice,

- architecture dont les composants mécaniques sont soulagés en fatigue,

- suppression du déplacement des carters des machines tournantes

- suppression des pannes dormantes par l’insertion d’un dispositif de contrôle

- suppression du cas de panne lié à la fuite hydraulique, cas qui requérait l’ajout de contrepoids pour la mise en drapeau,

- suppression des contrepoids de la technique antérieure, pour la mise en drapeau des pales,

- en cas de blocage d’une des deux vis de transmission, la commande en translation de l’excentrique des pales reste fonctionnelle grâce à la rotation de la vis de transmission non bloquée.

- l’utilisation d’un système électromécanique pour la mise en drapeau permet d’utiliser un boîtier de contrôle simple et d’une fiabilité élevée.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Système (22) d’actionnement de pas pour une hélice (10) de turbomachine, comprenant un actionneur (24) dont une partie mobile (26) est configurée pour être reliée à des pales (14) de l’hélice en vue de les déplacer en rotation par rapport aux axes (B) de calage de pas des pales, caractérisé en ce que l’actionneur est un actionneur électromécanique, et en ce qu’il comprend :

   - une première vis de transmission (26) mobile en rotation et en translation le long d’un axe longitudinal (A),

   - un premier écrou (28) traversé par ladite première vis de transmission et coopérant avec cette vis afin de se déplacer en translation le long de l’axe (A),

   - des moyens (80, 82, 83, 84, 87) qui sont configurés pour qu’un déplacement en translation du premier écrou (28) entraîne une modification du pas des pales de l’hélice mais qu’un déplacement en rotation de l’hélice (10) n’entraîne pas un déplacement en rotation de l’écrou (28),

   - des premiers moyens (25) de contrôle de pas des pales, qui comportent au moins un moteur électrique (40a, 40b) d’entraînement d’un premier rotor (30) autour de l’axe (A), un second écrou (71) entraîné en rotation autour de l’axe (A) par ledit premier rotor et une seconde vis de transmission (68) qui est solidaire de la première vis de transmission (26) et qui coopère avec le second écrou (71) en rotation en vue de se déplacer en rotation ou en translation sur l’axe (A),

   - des seconds moyens (50) de mise en drapeau des pales, qui comportent au moins un moteur électrique (52) d’entraînement d’un second rotor (60) autour de l’axe (A),

   - des moyens de liaison (72,73) configurés pour qu’une rotation du second rotor (60) entraîne une rotation de la première vis (26) et de la seconde vis (68) de transmission, sans translation,

   - des moyens de blocage (74) configurés pour bloquer une rotation de la seconde vis (68) et de la première vis (26) de transmission lorsque ledit au moins un moteur (40a, 40b) des premiers moyens (25) de contrôle de pas des pâles fonctionne, et pour libérer la rotation de la seconde et de la première vis de transmission lorsque ledit au moins un moteur (52) des seconds moyens (50) de mise en drapeau fonctionne.
2. 2. Système (22) selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de blocage (74) sont configurés pour bloquer une rotation de la première vis de transmission (26) lorsque ledit au moins un moteur (52) des seconds moyens (50) de mise en drapeau est à l’arrêt.
3. 3. Système (22) selon l’une des revendications précédentes, configuré pour désactiver lesdits moyens de blocage (74) en cas de blocage de la seconde vis de transmission (68) dans le second écrou (71).
4. 4. Système (22) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un frein électromagnétique (74) forme lesdits moyens de blocage.
5. 5. Système (22) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits premiers moyens comportent deux moteurs électriques (40a, 40b), de préférence synchrones, d’entraînement d’un même premier rotor (30).
6. 6. Système (22) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit premier rotor (30) est relié au second écrou (71) par un premier réducteur (42), par exemple planétaire.
7. 7. Système (22) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une partie (73) des moyens de liaison entre la première vis (26) de transmission et le second rotor (60) est reliée audit second rotor (60) par un second réducteur (64), par exemple planétaire.
8. 8. Système (22) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel un portesatellites (42d, 64d) du ou de chaque réducteur (42, 64) est guidé en rotation par une paire de paliers (44, 66) à contacts obliques et inversés.
9. 9. Turbomachine, telle qu’un turbopropulseur, comprenant une hélice

   5 (10) dont les pales (14) sont à pas variable et un système (22) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le premier écrou (28) entraîne des moyens (80) qui coopèrent avec des excentriques (20) prévus sur des platines (16) de support et de rotation des pales.
10. 10. Procédé d’actionnement de pas des pales d’une hélice de

    10 turbomachine, au moyen d’un système (22) selon l’une des revendications

    1 à 8, comprenant les étapes consistant à :

    - modifier le pas des pales en actionnant au moins un moteur (40a, 40b) des premiers moyens (25) de contrôle du pas ainsi que les moyens (74) de blocage en rotation de la première vis (26) de
11. 15 transmission, de façon à ce qu’une rotation du second écrou (71) entraîne, en coopérant avec la seconde vis (68) de transmission, un déplacement axial de la première vis (26) de transmission,

    - mettre les pales en drapeau en actionnant au moins un moteur (52) des seconds moyens (50) de mise en drapeau, de façon à ce qu’une
12. 20 rotation du second arbre (60) entraîne une rotation de la première vis (26) de transmission.

    χν-22