FR3098788A1 - Module de turbomachine pour une hélice à calage variable des pales et turbomachine le comportant - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un module (1) de turbomachine d’axe longitudinal (X), le module comportant : - Un carter (5-6) rotatif autour de l’axe longitudinal (X) et agencé pour porter une hélice munie d’une pluralité de pales, - Un système de changement de pas des pales de l’hélice comprenant : ° un moyen de commande, et ° un mécanisme de variation du pas des pales de l’hélice reliant ces dernières au moyen de commande, caractérisé en ce que ledit moyen de commande comprend un actionneur rotatif (15) comportant un corps de commande (15b) et un corps de référence (15a) qui est solidaire dudit carter (5) rotatif, et en ce que ledit mécanisme de variation de pas comprend une couronne de synchronisation (9) qui est entraînée en rotation autour de l’axe longitudinal (X) par ledit corps de commande (15b) et qui est guidée en rotation sur ledit carter (5-6) rotatif par des moyens de guidage (10), ladite couronne de synchronisation (9) étant reliée auxdites pales. Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
Domaine technique de l'invention
L’invention concerne les hélices à pas variable de turbomachines, que le rotor soit caréné ou non. Elle vise plus particulièrement les mécanismes de contrôle du pas des pales de ces hélices.
Arrière-plan technique
Il est connu d’augmenter le taux de dilution des moteurs à double flux, qu’ils soient de type turbopropulseur ou à hélice non carénée, pour améliorer leur rendement propulsif et diminuer leur consommation spécifique. Cette caractéristique permet d’augmenter le taux de dilution des moteurs, mais elle présente aussi l’inconvénient de travailler avec des vitesses de rotation réduites de la soufflante ou de l’hélice, de diminuer son taux de compression et ainsi générer des instabilités aérodynamiques, par exemple réduire les marges au pompage.
Une des solutions pour contrer ces instabilités est d’utiliser une hélice à pas variable. Le mécanisme de changement de pas devient donc une brique technologique majeure pour ces moteurs.
Les hélices constituées par un aubage de soufflante sur les turboréacteurs ou les hélices sur les turbomachines de type openrotor (à hélice non carénée) comportent un grand nombre de pales. De plus, le système de changement de pas doit contrer des efforts importants du fait de la taille des pales et de la puissance transmise. Également, le système doit permettre une grande amplitude de variation de l’angle de calage, entre des positions extrêmes de fonctionnement.
Outre des systèmes utilisant des actionneurs individuels par pales, qui posent des problèmes d’intégration, d’alimentation en énergie des actionneurs et de complexité pour le réglage, on connait différents systèmes utilisant une couronne de synchronisation pour modifier d’un bloc le calage d’une rangée annulaire d’aubes ou de pales. Par exemple, le document FR-A1-2 937 678 décrit un système utilisant un anneau rotatif entrainé par des vérins dans un plan transversal à l’axe longitudinal et le document FR-A1-2 997 724 décrit un système utilisant un anneau entraîné en translation axiale par un vérin longitudinal.
Les systèmes connus posent à divers niveaux des problèmes d’encombrement, de complexité et de réglage ou d’acheminement de l’énergie aux différents actionneurs, surtout dans le cadre des actionneurs hydrauliques.
L’invention a pour but de répondre à la fois aux problèmes d’intégration dans l’espace du moyeu de l’hélice, d’acheminement d’énergie à un ou plusieurs actionneurs, ainsi que de permettre un réglage précis du pas des pales et un rattrapage des éventuels jeux de fabrication.
Un deuxième objectif est de minimiser l’impact de l’installation d’un mécanisme de changement de pas, sur la modularité du moteur et sa maintenance.
A cet effet, l’invention concerne un module de turbomachine d’axe longitudinal, le module comportant :
- un carter rotatif autour de l’axe longitudinal et agencé pour porter une hélice munie d’une pluralité de pales,
- un système de changement de pas des pales de l’hélice comprenant :
° un moyen de commande, et
° un mécanisme de variation de pas des pales de l’hélice reliant ces dernières au moyen de commande,
L’invention est remarquable en ce que ledit moyen de commande comprend un actionneur rotatif comportant un corps de commande et un corps de référence qui est solidaire dudit carter rotatif, et en ce que ledit mécanisme de variation de pas comprend une couronne de synchronisation qui est entraînée en rotation autour de l’axe longitudinal par ledit corps de commande et qui est guidée en rotation sur ledit carter rotatif par des moyens de guidage, ladite couronne de synchronisation étant reliée auxdites pales.
L’utilisation d’une couronne de synchronisation permet de modifier le pas de l’ensemble des pales de manière synchronisée. Si le pas de chaque pale a été réglé au montage, on est ainsi sûr que le pas de l’ensemble des pales varie de manière identique.
Le fait que la couronne de synchronisation soit guidée en rotation sur le carter rotatif permet à l’ensemble comprenant le carter rotatif et le mécanisme de mise en rotation des pales de former un ensemble fonctionnel indépendant de l’actionneur pour la fonction de maintien en position de ses éléments. De plus, la liaison entre la couronne et le carter participe à la rigidité du mécanisme pour un calage précis des pales. Il est ainsi plus facile d’intégrer cet ensemble au niveau de l’hélice et d’en faire un module que l’on peut régler indépendamment, afin d’en faciliter le montage.
Le corps de commande de l’actionneur rotatif met en rotation un arbre de sortie dudit actionneur, de préférence suivant l’axe longitudinal. Un seul actionneur peut entraîner la couronne de synchronisation.
L’utilisation d’un actionneur rotatif permet aussi de gagner en encombrement axial par rapport à un actionneur linéaire. L’espace à l’intérieur de la couronne de synchronisation /ou le fait de déporter l’actionneur axialement par rapport à celle-ci permet d’avoir un actionneur assez gros pour obtenir la puissance nécessaire.
De préférence, la couronne de synchronisation est au moins en partie entourée par des moyens de positionnement desdites pales fixés au carter rotatif.
Ainsi ledit ensemble comprenant le carter rotatif et le mécanisme de mise en rotation des pales peut s’intégrer sous le moyeu de l’hélice et occuper un encombrement réduit.
Par ailleurs, il peut être découplé de l’actionneur. Cela permet à l’ensemble de former un sous-module qui est assemblé et réglé de façon indépendante avant son montage sur la turbomachine. On accroît ainsi la modularité de la turbomachine.
De préférence, la couronne de synchronisation comprend une paroi sensiblement cylindrique reliée à au moins une première paroi tronconique.
Avantageusement, ladite première paroi tronconique est placée à l’extérieur de la paroi cylindrique. Cela dégage un espace libre, radialement à l’extérieur de la paroi tronconique pour placer un mécanisme de liaison avec les pales, sous le moyeu de l’hélice.
De préférence, des biellettes relient ladite première paroi tronconique à des moyens de positionnement desdites pales.
Afin de permettre un réglage précis du calage pale à pale, ces biellettes sont de préférence réglables en longueur. Ce réglage permet de corriger les dispersions de calage pale à pale engendrées par les défauts géométriques des pièces. Cette correction permet de limiter les phénomènes vibratoires engendrés par la soufflante à cause de la dispersion de calage pale à pale.
De préférence, ladite première partie tronconique est au moins en partie dégagée axialement du moyeu. Cela permet d’accéder aux biellettes pour les régler lorsque le module est assemblé.
Avantageusement, les moyens de guidage en rotation de la couronne de synchronisation comprennent au moins un palier à roulements intercalé entre ladite paroi cylindrique et ledit carter rotatif.
De préférence, ledit palier est agencé de manière à maintenir la couronne de synchronisation dans une position axiale déterminée par rapport au carter rotatif. Avantageusement, ledit palier est placé axialement sensiblement au niveau des pales de l’hélice. Cela contribue à la compacité du module au niveau du moyeu de l’hélice.
Avantageusement, la paroi cylindrique comprend un tronçon d’accouplement en rotation avec ledit corps de commande.
Avantageusement, la couronne de synchronisation est reliée à un module de mise en drapeau des pales. Ce peut être une deuxième paroi tronconique dédiée à cette fonction.
De préférence, le module de mise en drapeau comprend une rangée annulaire de masselottes qui sont portées par ledit carter rotatif, chacune étant solidaire d’un axe de rotation parallèle audit axe longitudinal et engrené avec la couronne de synchronisation.
La répartition des masselottes en une rangée annulaire permet d’équilibrer le système lors de la rotation de l’hélice. Le fait que les axes des masselottes soient parallèles à l’axe longitudinal entraîne que leur déplacement se fait dans un plan transversal. Il n’y a pas de déplacement des masselottes dans le sens longitudinal. Cela limite les couples transverses sur l’axe longitudinal et cela permet aussi de limiter l’encombrement longitudinal du module pour l’intégrer sur la turbomachine.
Avantageusement, les axes de rotation des masselottes sont reliés à des pignons engrenés avec une denture annulaire radialement externe de la couronne de synchronisation.
De préférence, la couronne de synchronisation est reliée au module de mise en drapeau des pales via une paroi tronconique opposée à la première paroi tronconique par rapport à la paroi sensiblement cylindrique. Les parois tronconiques et la paroi sensiblement cylindrique peuvent loger au moins partiellement le mécanisme de variation de pas
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef, comportant au moins un module tel que décrit précédemment.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
Description détaillée de l'invention
Les figures 1 et 2 présentent une vue générale d’une réalisation d’un module 1 selon l’invention, entraîné en rotation autour de l’axe longitudinal X d’une turbomachine par un arbre 2 sortant de la partie moteur, non représentée. L’arbre 2 est lui-même guidé en rotation sur un carter fixe 3 de la turbomachine par des paliers 4. L’hélice est placée ici en avant du moteur.
Le module 1 comprend ici un tourillon 5, centré sur l’axe longitudinal X, qui relie l’arbre 2 au moyeu 6 de l’hélice, supportant les pales. Le tourillon 5 comporte une partie centrale 5a sensiblement cylindrique qui est emboitée sur l’arbre 2 par une liaison à cannelure 7, ce qui permet un montage/démontage du tourillon 5 par l’avant de l’arbre 2. Un écrou 5c assure le blocage du tourillon 5 à l’extrémité libre de l’arbre 2.
Sensiblement au droit de la liaison par cannelures 7, le tourillon 5 comprend un disque 5b relié au moyeu 6. Une liaison boulonnée permet le centrage et la fixation du moyeu 6 en périphérie du disque 5b. Le moyeu 6 est une pièce de structure, dans laquelle sont installés au préalable les moyens 8 de maintien et de positionnement des pales autour d’axes radiaux Y. Ces moyens 8 de positionnement des pales ne sont pas détaillés, ils comprennent des pivots, leurs roulements et toutes les pièces nécessaires à leur montage. Le tourillon 5 et le moyeu 6 forment un carter rotatif reliant les pales de l’hélice à l’arbre 2 du moteur.
Pour réaliser le mécanisme de changement de pas, une couronne de synchronisation 9 est montée sur le tourillon 5. La couronne de synchronisation 9 comporte ici une partie centrale tubulaire 9a, sensiblement cylindrique, reliée à une première partie tronconique 9b et à une deuxième partie tronconique 9c qui s’étendent radialement à l’extérieur de la partie centrale 9a.
La partie centrale 9a supporte des moyens de liaison 10 avec la partie centrale 5a du tourillon 5 permettant la rotation de la couronne de synchronisation 9 par rapport au tourillon 5. Ces moyens de liaison 10 sont ici formés par un roulement à double rangée de billes, préchargé, c’est-à-dire sans jeu axial, afin de ne pas être sensible à l’effort axial qu’il doit supporter, et graissé à vie. Deux écrous fixent le roulement 10 sur le tourillon 5 et sur la couronne de synchronisation 9.
La partie centrale 9a de la roue de synchronisation 9 s’étend axialement de part et d’autre du plan transversal des axes Y de rotation des pales. Le roulement à bille 10 assurant la liaison avec le tourillon 5 est ici situé sensiblement au niveau dudit plan transversal des axes Y.
L’extrémité amont de la partie centrale 9a de la couronne de synchronisation 9 comporte un système de cannelures axiales 11a disposées sur sa surface interne. En variante, ces cannelures pourraient être remplacées par une denture conique à renvoi d’angle.
La première partie tronconique 9b s’évase vers l’avant et est située en avant du plan transversal des axes Y. Son extrémité libre est dégagée axialement par rapport au moyeu 6.
Pour compléter le mécanisme de changement de pas, un excentrique 12 est relié aux moyens de positionnement 8 de chaque pale, sur sa partie débouchant vers l’intérieur du moyeu 6. Chacun de ces excentriques 12 est relié à l’extrémité radiale extérieure de la première partie tronconique 9b de la couronne de synchronisation 9 à l’aide d’une biellette 13 et de boulons. Les figures 3 et 4 fournissent une vue en perspective pour une meilleure compréhension du mécanisme.
Afin de permettre un réglage précis du calage pale à pale, ces biellettes 13 sont ici réglables en longueur. Ce réglage permet de corriger les dispersions de calage pale à pale engendrées par les défauts géométriques des pièces.
La deuxième partie tronconique 9c part de l’extrémité arrière de la partie centrale 9a de la couronne de synchronisation 9 et s’étend radialement le long du disque 5b du tourillon 5. Une description détaillée de cette deuxième partie sera faite plus loin, en relation avec système complémentaire de mise en drapeau. Avantageusement, pour l’agencement de la turbomachine, les parties tronconiques 9b, 9c et la partie centrale 9a de la couronne de synchronisation logent au moins partiellement le mécanisme de changement de pas, en particulier ses biellettes 13 et excentriques 12.
Un flasque tronconique 14 est fixé à l’avant du moyeu 6 et recouvre la première partie tronconique 9b de la couronne de synchronisation 9, ainsi que les biellettes 13 de calage des pales.
L’ensemble des parties qui viennent d’être décrites, tournant avec le carter rotatif formé du moyeu 6 et du tourillon 5, forme un sous-module de support des pales avec commande du calage dont l’encombrement est réduit à un volume restreint au niveau du moyeu 6 des pales de l’hélice. Ce sous-module est représenté de manière complète sur la figure 6.
Un actionneur rotatif 15 centré sur l’axe X de la turbomachine est installé en amont du flasque 14 et de la couronne de synchronisation 9. Ici, il s’agit d’un actionneur hydraulique comprenant un corps de référence 15a à l’intérieur duquel un piston 15p coulissant parallèlement à l’axe X est mis en mouvement par un fluide. Une alimentation 16 en fluide venant de l’arrière de l’arbre 2 du moteur, non détaillée, permet de commander le mouvement de rotation du piston 15p par rapport au corps de référence 15a.
Le corps de référence 15a associé à un capot 18 de l’actionneur rotatif 15 est fixé au flasque. Il tourne donc solidairement avec le tourillon 5 et le moyeu 6 autour de l’axe longitudinal X. L’actionneur rotatif 15 commande donc le piston 15p en rotation par rapport au tourillon 5 et au moyeu 6, via des galets 15g associés au piston et s’engageant dans des pistes courbes correspondantes aménagées dans le piston 15p et le corps de référence 15a pour transformer le mouvement de coulissement du piston en mouvement de rotation d’un arbre 17 faisant partie d’un corps de commande 15b. De tels galets 15g et pistes dans un actionneur rotatif à piston coulissant sont bien connus, un tel actionneur étant disponible dans le commerce et son principe de fonctionnement étant connu depuis des dizaines d’années.
Le piston 15p est relié à l’arbre 17 centré sur l’axe X qui comporte une série de cannelures 11b (ou une denture conique) coopérant avec celles 11a de la couronne de synchronisation 9 pour former une liaison entre l’arbre 17 et la couronne de synchronisation 9, les solidarisant en rotation mais permettant la translation de l’un par rapport à l’autre. L’actionneur rotatif 15 et la couronne de synchronisation 9 peuvent donc être désolidarisés pour le montage et/ou l’entretien.
Le capot 18, également fixé au flasque tronconique 14, entoure et isole l’actionneur 15 de l’extérieur.
L’ensemble forme un module de commande de l’angle de calage des pales de l’hélice. Le tourillon 5, le moyeu 6 de l’hélice et le corps de référence 15a de l’actionneur 15 forment un ensemble tournant avec les pales de l’hélice à la vitesse imprimée par l’arbre 2 de l’hélice. Une rotation du piston 15p dans ce référentiel tournant entraine une rotation équivalente de la roue de synchronisation 9 et un déplacement transversal aux axes Y des pales de l’extrémité des biellettes 13 fixées à la couronne, ce qui fait tourner ces dernières en entrainant les excentriques 12.
La cinématique de l’ensemble permet de modifier l’angle de calage sur une plage angulaire importante. La figure 5 illustre différentes positions angulaires des pales, pour des modes de fonctionnement en drapeau C1, en montée C2, au décollage C3, au sol C4 et en inversion de poussée C5. La variation d’angle de calage est supérieure à 90° entre les positions extrêmes.
Pour des raisons de sécurité, il est préférable que la mise en drapeau des pales puisse se faire en cas de panne de l’actionneur 15. Le module de commande décrit ici comprend un système permettant d’assurer cette fonction, plus particulièrement visible sur les figures 1, 3 et 4.
A cette fin, le disque 5b du tourillon 5 supporte une rangée annulaire de masselottes 19 identiques, placées en arrière du disque 5b et liées à des tiges 20 parallèles à l’axe X et traversant le disque 5b. La répartition des masselottes 19 en couronne permet d’équilibrer l’hélice en rotation. Les masselottes 19 sont configurées de manière à pouvoir tourner chacune autour de l’axe des tiges 20 entre une première position radialement sous chaque tige et une deuxième position radialement à l’extérieure de ladite tige. Chaque masselotte 19 est asymétrique et décentrée en azimut par rapport à la tige 20 correspondante. De la sorte, lorsque l’hélice tourne, la force centrifuge sur les masselottes tend à faire tourner toutes les masselottes 19 dans le même sens pour les faire passer de la première à la deuxième position.
Les tiges 20 sont montées libres en rotation axiale sur le disque 5b. Elles sont donc entraînées par les masselottes 19 lors de leur rotation entre la première position à la deuxième position. Un pignon denté 21 est lié à chaque tige 20 sur l’avant du disque 5b. En correspondance, la deuxième partie tronconique 9c de la couronne de synchronisation 9, décrite précédemment, comporte en périphérie une couronne dentée 22 qui engrène avec les pignons dentés 21.
L’ensemble est réglé de sorte que, lorsque les masselottes 19 se trouvent dans la deuxième position à cause de la force centrifuge, cela correspond à une position en rotation de la couronne de synchronisation 9 par rapport au moyeu 6 qui commande le calage des pales pour la position C1 de mise en drapeau. Avantageusement, la première position des masselottes 19, représentant leur déplacement opposé extrême, pourra correspondre à la position C5, représentant une position extrême de calage des pales opposée à la mise en drapeau.
Par ailleurs, les masselottes sont calibrées de manière à imprimer un couple suffisant pour forcer la mise en drapeau si l’actionneur 15 est en panne, tandis que l’actionneur 15 a un couple suffisant pour contrer l’action des masselottes 19 en fonctionnement normal.
Les figures 6 et 7 illustrent des propriétés complémentaires du module décrit. Tout d’abord, en référence à la figure 6, l’ensemble constitué du tourillon 5, du moyeu 6 avec les moyens 8 de positionnement des pales, du flasque tronconique 14 et de la couronne de synchronisation 9 avec les biellettes 13 et les excentriques 12, forme un sous-module de support des pales avec commande du calage, indépendant de l’actionneur 15. En effet, la liaison par cannelures 11a sur la couronne 9 permet de retirer la partie avant avec l’actionneur 15. D’une part cela facilite le montage et la maintenance du système. D’autre part, d’autres types d’actionneurs que celui décrit ici, par exemple électriques, peuvent être adaptés au sous-module.
Sur la figure 7, le flasque tronconique 14 a été retiré dudit sous-module, par exemple en le déboulonnant. Dans ce cas, les biellettes 13 sont accessibles et l’on peut intervenir pour régler leur longueur afin de corriger d’éventuels défauts de calage entre les pales.
Le module qui a été décrit peut être installé, par exemple, sur une turbomachine 23 de type « open-rotor ». La figure 8 montre ainsi le module 1 placé sous l’hélice amont 24 d’une telle turbomachine 23, avec en arrière une couronne de pales fixes 25 redressant le flux traversant l’hélice 24 et le moteur 26 proprement dit, non détaillé, qui entraine l’hélice 24 par l’arbre 2. De même, en référence à la figure 9, le module peut être installé pour entrainer la soufflante carénée 27 d’une turbomachine double flux 28, dont le moteur 29 n’est pas détaillé.
Claims (12)
- Module (1) de turbomachine d’axe longitudinal (X), le module comportant :
- un carter (5-6) rotatif autour de l’axe longitudinal (X) et agencé pour porter une hélice munie d’une pluralité de pales,
- un système de changement de pas des pales de l’hélice comprenant :
° un moyen de commande, et
° un mécanisme de variation du pas des pales de l’hélice reliant ces dernières au moyen de commande,
caractérisé en ce que ledit moyen de commande comprend un actionneur rotatif (15) comportant un corps de commande (15b) et un corps de référence (15a) qui est solidaire dudit carter (5) rotatif, et en ce que ledit mécanisme de variation de pas comprend une couronne de synchronisation (9) qui est entraînée en rotation autour de l’axe longitudinal (X) par ledit corps de commande (15b) et qui est guidée en rotation sur ledit carter (5-6) rotatif par des moyens de guidage (10), ladite couronne de synchronisation (9) étant reliée auxdites pales. - Module (1) selon la revendication 1, dans lequel la couronne de synchronisation (9) est au moins en partie entourée par des moyens de positionnement (8) desdites pales fixés au carter rotatif (6).
- Module (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couronne de synchronisation (9) comprend une paroi (9a) sensiblement cylindrique reliée à au moins une première paroi tronconique (9b).
- Module (1) selon la revendication 3, dans lequel des biellettes (13) relient ladite première paroi tronconique (9b) à des moyens de positionnement (8) desdites pales.
- Module (1) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les moyens de guidage (10) en rotation de la couronne de synchronisation (9) comprennent au moins un palier à roulements intercalé entre ladite paroi cylindrique (9a) et ledit carter rotatif (5).
- Module (1) selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel ladite paroi cylindrique (9a) comprend un tronçon d’accouplement (11a) en rotation avec ledit corps de commande (15b).
- Module (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la couronne de synchronisation (9) est reliée à un module de mise en drapeau des pales.
- Module (1) selon la revendication 7, dans lequel le module de mise en drapeau comprend une rangée annulaire de masselottes (19) qui sont portées par ledit carter rotatif (5), chacune étant solidaire d’un axe de rotation (20) parallèle audit axe longitudinal (X) et engrené avec la couronne de synchronisation (9).
- Module (1) selon la revendication 8, dans lequel les axes de rotation (20) des masselottes (19) sont reliés à des pignons (21) engrenés avec une denture annulaire (22) radialement externe de la couronne de synchronisation (9).
- Module (1) selon l’une des revendications 7 à 9 prise en combinaison avec l’une des revendications 3 à 6, dans lequel la couronne de synchronisation (9) est reliée au module de mise en drapeau des pales via une paroi tronconique (9c) opposée à la première paroi tronconique (9b) par rapport à la paroi (9a) sensiblement cylindrique.
- Module (1) selon la revendication 10, dans lequel les parois tronconiques et la paroi sensiblement cylindrique logent au moins partiellement le mécanisme de variation de pas (12, 13).
- Turbomachine (23, 28) d’aéronef, comportant au moins un module (1) selon l’une des revendications précédentes.
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