BE1029457B1 - Ensemble de turbomachine d’aéronef, compresseur, turbomachine et procédé de détermination du calage angulaire d’aubes - Google Patents

Abstract

L’invention se rapport à un ensemble (10) de turbomachine d’aéronef comprenant des aubes (121, 131) à calage variable, mobiles en rotation autour d’un axe de rotation (11) selon un calage angulaire, un levier (12) d’actionnement de chaque aube vers le calage angulaire, un index (18) dont la position angulaire reflète la position angulaire du levier (12), un potentiomètres (20) dont une borne de sortie est reliée à l’index (18) par un câble (21), la position de l’index (18) est transmise par le câble (21) au potentiomètre (20) et est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre (20). L’invention se rapporte aussi à un compresseur de turbomachine d’aéronef avec un tel ensemble, une turbomachine avec un tel compresseur et un procédé de détermination du calage angulaire d’aubes dans une telle turbomachine.

Description

- 1 - Ensemble de turbomachine d’aéronef, compresseur, turbomachine et procédé de détermination du calage angulaire d’aubes Domaine technique La présente invention concerne un ensemble de turbomachine d’aéronef, un compresseur de turbomachine d’aéronef avec un tel ensemble, une turbomachine avec une tel compresseur et un procédé de détermination du calage angulaire d’aubes dans une telle turbomachine.

Art antérieur Les compresseurs de turbomachines d’aéronef peuvent comporter des aubes orientables au sein d’aubages fixes.

Par exemple, les documents EP3382210 et EP3282096 décrivent des aubes à calage variable de turbomachine.

Les aubes comprennent un axe de pivotement selon lequel le calage de l’aube varie et des moyens magnétiques pour guider l’aube en rotation selon son axe de pivotement.

Pour mesurer la position angulaire des aubes, différentes solutions ont été décrites dans l’état de la technique.

La mesure du calage angulaire des aubages demande d'installer des capteurs dont l'encombrement peut être trop important par rapport à l’espace disponible dans le carter des compresseurs, ainsi que dans l'espace disponible entre les carters, externe de la veine primaire et interne de la veine secondaire, dans le cas où il est nécessaire de réaliser des mesures de grande précision.

Il y a un besoin pour un dispositif qui soit simple et qui permette d'obtenir des mesures précises du calage angulaire des aubes sans être encombrant.

Exposé de l’invention À cet effet, linvention propose un ensemble de turbomachine d’aéronef comprenant - des aubes à calage variable, mobiles en rotation autour d’un axe de rotation selon un calage angulaire, - un levier d'actionnement de chaque aube vers le calage angulaire, - un index dont la position angulaire reflète la position angulaire du levier,

- 2 - - un potentiomètre dont une borne de sortie est reliée à l'index par un câble, la position de l'index est transmise par le câble au potentiomètre et est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre.

Selon une variante, le câble est relié à l'index par des renvois.

Selon une variante, Vindex est monobloc avec le levier.

Selon une variante, le levier et Vindex sont de part et d’autres par rapport à l’aube.

Selon une variante, l'index est diamétralement opposé au levier par rapport à Taube.

L'invention se rapporte aussi à un compresseur de turbomachine d’aéronef comprenant - un stator, - l’ensemble de turbomachine d’aéronef tel que décrit précédemment, les paliers étant supportés par le stator, - un système de calage variable commandant le calage angulaire des aubes par l’intermédiaire du levier l’ensemble de turbomachine d’aéronef déterminant le calage angulaire effectif des aubes selon la position de Vindex transmise par le câble au potentiomètre et qui est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre, le compresseur étant de type haute pression ou basse pression.

L'invention se rapporte aussi à un une turbomachine d’aéronef comprenant un compresseur basse pression et un compresseur haute pression situé en aval du compresseur basse pression le long d’un axe moteur, au moins l'un des compresseurs étant tel que décrit précédemment.

Selon une variante, la turbomachine d’aéronef comprend en outre - une soufflante en amont des compresseurs le long de l'axe moteur, - une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression en aval des compresseurs le long de l’axe moteur,

- 3 - - des arbres de transmission de la puissance mécanique des turbines haute et basse pression aux compresseurs et à la soufflante via un réducteur.

L'invention se rapporte aussi à un procédé de détermination du calage angulaire d’aubes dans la turbomachine d’aéronef telle que décrite précédemment, comprenant les étapes de - mesure des tensions en entrée et en sortie du potentiomètre pour chaque aube dont le calage angulaire est à déterminer, - détermination du calage angulaire effectif des aubes selon la position de Vindex transmise par le câble au potentiomètre et qui est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre.

Selon une variante, le procédé comprend en outre une étape de comparaison du calage angulaire effectif des aubes avec le calage angulaire commandé par un système de calage variable des aubes par l'intermédiaire du levier.

L'usage, dans ce document, de l’article indéfini « un », « une », ou de l’article défini «le », «la» ou « l’ », pour introduire un élément n'exclut pas la présence d’une pluralité de ces éléments.

Les termes « premier », « deuxième », etc. sont, quant à eux, utilisés dans le cadre de ce document exclusivement pour différencier différents éléments, et ce sans impliquer d'ordre entre ces éléments.

Les modes de réalisation préférés ainsi que les avantages de l’ensemble de turbomachine d’aéronef selon l’invention se transposent mutatis mutandis aux compresseurs, turbomachine et procédé de détermination du calage angulaire des aubes décrits.

Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées qui montrent : - la figure 1 illustre une vue schématique d’une coupe bidimensionnelle d’une turbomachine d’aéronef sur laquelle il est prévu d'intégrer l'invention ;

- 4 - - la figure 2, une vue schématique d’un exemple d’ensemble de turbomachine d’aéronef selon l'invention ; - la figure 3, une vue d’un exemple de réalisation de l'invention.

Les dessins des figures ne sont pas à l’échelle.

Des éléments semblables sont en général dénotés par des références semblables dans les figures.

Dans le cadre du présent document, les éléments identiques ou analogues peuvent porter les mêmes références.

En outre, la présence de numéros ou lettres de référence aux dessins ne peut être considérée comme limitative, y compris lorsque ces numéros ou lettres sont indiqués dans les revendications.

Description détaillée de modes de réalisation de l’invention L'invention se rapporte à un ensemble de turbomachine d'aéronef comprenant des aubes à calage variable, mobiles en rotation autour d’un axe de rotation selon un calage angulaire, un levier d’actionnement de chaque aube vers le calage angulaire, un index dont la position angulaire reflète la position angulaire du levier, un potentiomètre dont une borne de sortie est reliée à index par un câble, la position de l’index est transmise par le câble au potentiomètre et est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre.

Ceci permet de prendre des mesures précises et de manière déportée ce qui rend les éléments de détection de la position angulaire effective des aubes peu encombrants.

La simplicité des éléments de mesure assure une durée de vie importante et une insensibilité à la température.

La figure 1 illustre, à titre d'exemple, une coupe d’une turbomachine d’aéronef 100 sur laquelle il est prévu d'intégrer l'ensemble de turbomachine d’aéronef selon l'invention.

Il peut s'agir plus précisément d’une turbomachine axiale à double flux comprenant de façon successive, le long de l’axe moteur X, une soufflante 110, un compresseur basse pression 120, un compresseur haute pression 130, une chambre de combustion 160, une turbine haute pression 140 et une turbine basse pression 150. Ces éléments sont connus d’un homme du métier.

II s'agit d’un exemple d’architecture car l'invention s'applique à d’autres architectures de turbomachines.

En fonctionnement, la puissance mécanique des turbines basse

- 5 -

150 et haute 140 pression est transmise via des arbres 101 et 102 aux compresseurs basse 120 et haute 130 pression respectivement, ainsi qu’à la soufflante 110 via l’arbre 101. Un réducteur 111 peut être interposé sur l’arbre 101, de sorte que les vitesses de rotation de la soufflante 110 et du compresseur basse pression 120 soient proportionnelles.

Les rotors de ces compresseurs tournent autour de l'axe moteur X leur permettant d’aspirer et de comprimer de l'air pour l’amener à des vitesses, pressions et températures adaptées, jusqu’à l’entrée de la chambre de combustion 160. La soufflante 110 permet de générer des flux d'air primaire 106 et secondaire 107 en amont du compresseur basse pression 120. Le flux d'air primaire 106 est principalement destiné à traverser axialement la turbomachine d’aéronef 100, alimentant par cette occasion la chambre de combustion 160, alors que le flux d’air secondaire 107 est principalement destiné à générer une réaction de poussée nécessaire au vol de l’aéronef.

Bien que non référencés de façon systématique sur la figure 1, chaque compresseur et chaque turbine comprend un ou plusieurs étages axiaux disposés en série.

Chaque étage comprend un stator ou redresseur à aubages fixes et un rotor à aubages mobiles apte à être mis en rotation autour de l’axe moteur.

Pour les compresseurs basse pression 120 et haute pression 130, ces aubages fixes et mobiles sont respectivement référencés par 121, 122 et 131, 132. Au sein d’un étage, le rotor aspire et accélère le flux d'air primaire 106 en le déviant par rapport à l'axe du moteur X et le stator ou redresseur qui suit redresse le flux dans l'axe moteur X et le ralentit en transformant une partie de sa vitesse en pression.

Les aubages fixes comprennent des aubes qui peuvent être à orientation fixe et/ou à orientation variable.

Ces aubes orientables sont également connues comme aubes à calage variable, ou selon l’acronyme anglo-saxon « VSV » pour « Variable Stator Vane ». Leur particularité est que l’inclinaison de leurs cordes peut varier par rapport à l’axe du moteur X, et de l’axe des compresseurs 120, 130 en particulier.

Les faces intrados et extrados des aubes peuvent être plus ou moins exposées au flux d'air primaire 106. Les surfaces intrados s'étendent plus ou moins face au flux d'air primaire 106 afin de moduler la déviation, et donc le redressement qui est

- 6 - imposé au flux d'air primaire 106. Les compresseurs peuvent comporter un ou plusieurs étages d’aubes orientables.

Le calage (ou orientation ou position) angulaire des aubes au sein du stator à aubages fixes est commandée par un système de calage variable.

Sur la figure 1, un système de calage variable 123 peut être monté sur le carter du compresseur basse pression 120 ; un système de calage variable 133 peut aussi être monté sur le carter du compresseur haute pression 130. Il est à noter que cette représentation n’est aucunement limitative du nombre ou de la position des systèmes de calage variable que sont susceptibles de comprendre les compresseurs 120, 130. Ce type d'architecture est donné à titre d'exemple, un compresseur intermédiaire pourrait être présent.

Le calage angulaire des aubes à orientation variable au sein des aubages fixes est commandé par les systèmes de calage variable 123, 133. Un ensemble 10 de turbomachine d’aéronef illustré schématiquement sur les figures 2 et 3 permet de déterminer la position angulaire effective des aubes à orientation variable.

L'ensemble 10 permet de savoir si les aubes ont effectivement atteint le calage commandé.

La figure 2 montre l’ensemble 10 avec une aube 121, 131, à calage variable, en section transversale, parmi les aubages fixes du compresseur basse pression 120 et/ou haute pression 130. Un avantage de l’ensemble 10 est qu’il permet de déterminer par des mesures simples et précises la position angulaire effective des aubes grâce à un câble permettant de déporter les organes de mesure dans un espace libre du carter 170. Ceci est particulièrement avantageux pour le compresseur basse pression 120 qui se trouve en amont du moteur, dans le sens d’écoulement des flux d'air primaire et secondaire.

En effet, le carter du compresseur basse pression 120 ne peut pas être volumineux car situé en un emplacement où l’espace est très réduit ; l’espace est limité par la proximité des autres éléments du moteur, par exemple la présence d’un flux d’air ou la proximité du carter externe dans la direction radiale du moteur.

L'espace peut aussi être réduit en raison de contrainte d’aérodynamisme de l’aéronef, ou encore, de contrainte d'intégration du moteur dans l’aéronef.

- 7 - Les aubes 121, 131 à calage variable sont montées mobiles en rotation autour d’un axe de rotation 11 selon un calage angulaire. Les aubes 121, 131 sont chacune montées mobiles en rotation sur un palier de l'ensemble 10. Les paliers sont supportés par un stator 14 intégré au carter 170 des compresseurs 120, 130.

L'ensemble 10 comprend un levier 12 d’actionnement de l’aube 121, 131 vers le calage angulaire commandé. Le levier 12 est activé par le système de calage variable 123, 133 qui activent une pluralité de leviers actionnant chacun une aube vers un calage angulaire. Le système 123, 133 active le levier 12 par un doigt 13 situé à une extrémité du levier 12. Le levier 12 est relié à l’aube 121, 131 par une conformation de l'aube pour l’actionner en rotation vers le calage angulaire commandé par le système 123, 133. Le levier 12 est activé en rotation par le système 123, 133 selon la flèche 16 autour de l’axe de rotation 11 de l’aube 121, 131 vers une position angulaire correspondant au calage angulaire commandé de de l’aube 121, 131.

Selon la figure 2, l'ensemble 10 comprend en outre un index 18 dont la position dépend de celle du levier 12. L’index 18 est mobile en rotation autour de l’axe de rotation 11 de l’aube 121, 131 et sa position angulaire reflète la position angulaire du levier 12 et donc le calage angulaire de l'aube. Le mouvement circulaire de Vindex 18 est destiné à couvrir la même course angulaire que le levier 12etlaube.

L'ensemble 10 comprend en outre un potentiomètre 20 permettant de déterminer la position angulaire de l’index 18 et donc le calage angulaire effectif des aubes respectives. Une borne (visible sur la figure 3) de sortie du potentiomètre 20 est reliée à l'index 18 par l'intermédiaire d’un câble 21. La position de l'index 18 est transmise au potentiomètre 20 par le câble 21, cette position étant fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre 20. La flèche 40 sur la figure 2 montre le déplacement du câble 21 selon les mouvements de l'index

18. Ainsi, le système 123, 133 active le levier 12 vers une position angulaire pour commander un calage angulaire de l’aube ; l'index 18 reflète la position angulaire du levier 12 et la position de Vindex 18 est transmise par le câble 21 au potentiomètre. Le rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre

- 8 - permet de connaître la position effective de l'index 18. Si cette position effective ne reflète pas la position angulaire du levier 12 correspondant au calage angulaire de l’aube 121, 131 commandé par le système 123, 133 alors il y a un défaut dans la commande par le système. Un signal est émis à ce effet pour une action correctrice. Le potentiomètre 20 est relié à l'index 18 par le câble 21 par l'intermédiaire de renvois. Les renvois permettent de faire cheminer le câble 21 depuis le potentiomètre 20 jusqu’à l'index 18 à l’intérieur du carter 170 en tenant compte de l'encombrement dans ce dernier. La géométrie des renvois est choisie en fonction de leur rigidité et de leur sensibilité aux vibrations afin d’obtenir des mesures précises. Sur la figure 2, trois renvois 31, 32, 33 sont représentés à titre d'exemple. Le nombre de renvois et leur position sont choisis de telle sorte à disposer le potentiomètre 20 dans un espace libre dans le carter 170. La localisation du premier renvoi 31 est à distance D de l’axe de rotation 11 de l’aube 121, 131 (et à une hauteur H par rapport au plan de rotation de l'index 18, lorsque le point de renvoi 31 n'est pas dans le plan de rotation de l'index 18).

L’index 18 peut être monobloc avec le levier 12. Ceci permet de fabriquer Vindex et le levier d’un seul tenant, ce qui facilite aussi la mise en place des pièces sur l'aube 121, 131. Le levier 12 et l’index 18 sont de part et d’autres par rapport à l’aube 121, 131. L'avantage est que toute déformation du levier 12 en cours de fonctionnement n’affecte pas l'index 18 de la même façon. La position angulaire de Vindex 18 ne reflètera pas la position angulaire du levier 12 suite à la commande du système 123, 133 et donc le calage angulaire de l’aube effectif ne correspondra pas au calage angulaire commandé par le système 123, 133 de calage angulaire. De préférence, l'index 18 est diamétralement opposé au levier 12 par rapport à Taube 121, 131. Ceci permet un formation plus simple du levier et de l'index.

La figure 3 montre une vue d’un exemple de réalisation de l'invention. La figure 3 montre le potentiomètre 20 comprenant une borne 22, une borne 24 et une borne 26 de sortie. La borne 26 de sortie est reliée à un curseur 28 du potentiomètre qui se déplace sur une piste résistante 29 terminée par les deux bornes 22 et 24.

La borne 26 de sortie est aussi reliée à l'index 18 par l'intermédiaire du câble 21. Les mouvements de rotation de l'index 18 impliquent le déplacement du curseur 28

- 9 - sur la piste résistante 29 via le câble 21, selon la flèche 40 de la figure 1. Une tension VT est appliquée entre la borne 22 et la borne 24 du potentiomètre 20. La tension de sortie VB entre la borne 22 et la borne 26 de sortie dépend de la position du curseur 28 sur la piste résistante 29, la position du curseur 28 sur la piste résistante 29 dépendant elle-même de la position angulaire de l'index 18.

La position de l'index 18 transmise par le câble 21 au potentiomètre 20 peut être déterminée en fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre 20. Plus spécifiquement, la position angulaire a de Vindex 18 peut être déterminée à l’aide de la formule suivante (lorsque le point de renvoi est dans le plan de rotation de l'index) U = arccos ( D” + R° 1” )

2.R.D 2.R.D avec D la distance entre l’axe 11 de rotation de l’aube 121, 131 et le premier renvoi 31, R la longueur entre l'axe 11 de rotation de Paube 121, 131 et le point de fixation du câble 21 à l'index 18 et L la distance entre le premier renvoi 31 et le point de fixation du câble 21 à l'index 18. Selon la position de l'index 18, L est déterminé à l’aide du potentiomètre 20 et est fonction du rapport entre VB et VT, soit, L = f(VB/VT).

L'ensemble 10 comporte en outre des douilles (non visibles sur les figures) en matériau diamagnétique assurant la rotation des aubes dans les paliers en évitant le contact métal/métal des aubes et des paliers. L'avantage de l'invention est que la mesure autorise les jeux (décentrement) liés à la présence des douilles dans les paliers.

L'invention se rapporte aussi à un procédé de détermination du calage angulaire des aubes 121, 131 dans la turbomachine 100 d’aéronef. Le système de calage variable 123, 133 commande le calage angulaire des aubes et le procédé permet de savoir si les aubes ont effectivement atteint ce calage angulaire. Le système 123, 133 commande un calage angulaire des aubes par l'intermédiaire du levier 12 d’actionnement de chaque aube. Le procédé comprend une étape de mesure des tensions en entrée VT et en sortie VB du potentiomètre 20 pour chaque aube 121, 131 dont le calage angulaire est à déterminer . Puis le procédé comprend

- 10 - une étape de détermination du calage angulaire effectif des aubes 121, 131 selon la position de Vindex transmise par le câble au potentiomètre ; cette position est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre.

Ceci permet de connaître la position réelle de l'index 18 et donc le calage angulaire effectif de l'aube.

Puis le procédé comprend une étape de comparaison du calage angulaire effectif des aubes avec le calage angulaire commandé par le système de calage variable 123, 133 des aubes par l’intermédiaire du levier 12. Une action peut être entreprise selon le résultat de cette comparaison pour modifier le calage angulaire des aubes — voire assurer une étape de maintenance.

Une unité de contrôle met en œuvre le procédé ; elle reçoit les tensions VT et VB et détermine le calage angulaire effectif des aubes afin de le comparer au calage angulaire commandé.

L'invention présente un intérêt particulier dans le compresseur basse pression de la turbomachine comprenant le réducteur 111 sur l’arbre 101 de transmission de puissance mécaniques des turbines 150, 140. Le réducteur permettant d'augmenter la vitesse de rotation du compresseur basse pression 120 par rapport à celle de la soufflante 110, la détermination du calage angulaire effectif des aubes 121 du compresseur basse pression est d'autant plus critique.

Le carter du compresseur basse pression ayant peu d'espace disponible, l’utilisation de l’ensemble 10 dans le compresseur basse pression est avantageuse car le câble permet de déporter le potentiomètre dans un espace libre.

La position du potentiomètre peut même être éloignée de l’aube respective.

La présente invention a été décrite en relation avec des modes de réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne doivent pas être considérés comme limitatifs.

D'une manière générale, il apparaîtra évident pour un homme du métier que la présente invention n’est pas limitée aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus.

Par exemple, l’ensemble décrit peut être monté sur une turbine et les mêmes avantages que décrit précédemment s'appliquent.

Claims (10)

- 11 - Revendications

1. Ensemble (10) de turbomachine d’aéronef comprenant - des aubes (121, 131) à calage variable, mobiles en rotation autour d’un axe de rotation (11) selon un calage angulaire, - un levier (12) d’actionnement de chaque aube vers le calage angulaire, - un index (18) dont la position angulaire reflète la position angulaire du levier (12), - un potentiomètre (20) dont une borne de sortie est reliée à l'index (18) par un câble (21), la position de index (18) est transmise par le câble (21) au potentiomètre (20) et est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre (20).

2 Ensemble (10) de turbomachine d’aéronef selon la revendication 1, dans lequel le câble (21) est relié à Vindex (18) par des renvois (31, 32, 33).

3. Ensemble (10) de turbomachine d’aéronef selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'index (18) est monobloc avec le levier (12).

4. Ensemble (10) de turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le levier (12) et l'index (18) sont de part et d’autres par rapport à l’aube (121, 131).

5. Ensemble (10) de turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l'index (18) est diamétralement opposé au levier (12) par rapport à l’aube (121, 131).

6. Compresseur (120, 130) de turbomachine d’aéronef comprenant - un stator (14),

- 12 - - l’ensemble (10) de turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 1 à 5, les paliers (12) étant supportés par le stator (14), - un système de calage variable (123, 133) commandant le calage angulaire des aubes (121, 131) par l'intermédiaire du levier (12), l’ensemble (10) de turbomachine d’aéronef déterminant le calage angulaire effectif des aubes (121, 131) selon la position de l'index (18) transmise par le câble (21) au potentiomètre (20) et qui est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre, le compresseur étant de type haute pression ou basse pression.

7. Turbomachine d’aéronef (100) comprenant un compresseur basse pression (120) et un compresseur haute pression (130) situé en aval du compresseur basse pression (120) le long d’un axe moteur, au moins l’un des compresseurs (120, 130) étant selon la revendication 6.

8. Turbomachine (100) d’aéronef selon la revendication 7, comprenant en outre - une soufflante (110) en amont des compresseurs (120, 130) le long de l'axe moteur, - une chambre de combustion (160), une turbine haute pression (140) et une turbine basse pression (150) en aval des compresseurs (120, 130) le long de l’axe moteur, - des arbres (101, 102) de transmission de la puissance mécanique des turbines haute et basse pression (140, 150) aux compresseurs (120, 130) et à la soufflante (110) via un réducteur (111).

9. Procédé de détermination du calage angulaire d’aubes dans la turbomachine (100) d’aéronef selon la revendication 7 ou 8, comprenant les étapes de - mesure des tensions en entrée et en sortie du potentiomètre (20) pour chaque aube (121, 131) dont le calage angulaire est à déterminer,

- 13 - - détermination du calage angulaire effectif des aubes (121, 131) selon la position de l'index (18) transmise par le câble (21) au potentiomètre (20) et qui est fonction du rapport entre les tensions en sortie et en entrée du potentiomètre (20).

10. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre une étape de comparaison du calage angulaire effectif des aubes avec le calage angulaire commandé par un système de calage variable (123, 133) des aubes par l'intermédiaire du levier (12).