FR2928976A1 - Systeme d'helices contrarotatives a helices entrainees par un train epicycloidal ameliore - Google Patents

Systeme d'helices contrarotatives a helices entrainees par un train epicycloidal ameliore Download PDF

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Abstract

La présente invention se rapporte à un système d'hélices contrarotatives (1) pour turbomachine d'aéronef, comprenant un train épicycloïdal (14) muni d'un planétaire (16) entraîné par une turbine, un porte-satellite(s) (24) entraînant une première hélice (6), ainsi qu'une couronne (30) engrenant avec chaque satellite (20) et entraînant une seconde hélice (8).Selon l'invention, le dispositif (12) comprend en outre un satellite secondaire (40) solidaire de son satellite associé, ainsi qu'une couronne secondaire (42) à denture intérieure engrenant avec chaque satellite secondaire (42), cette couronne secondaire (40) étant fixe par rapport à un stator (2) du système d'hélices.

Description

SYSTEME D'HELICES CONTRAROTATIVES A HELICES ENTRAINEES PAR UN TRAIN EPICYCLOÏDAL AMELIORE
DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte de façon générale à un système d'hélices contrarotatives, pour turbomachine d'aéronef. L'invention concerne également une 10 turbomachine pour aéronef comprenant un tel système d'hélices contrarotatives. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE De l'art antérieur, il est connu des turbomachines à systèmes d'hélices contrarotatives, 15 dont les hélices sont entraînées par un dispositif de transmission mécanique, prenant habituellement la forme d'un réducteur différentiel. Ce réducteur différentiel est constitué d'un train épicycloïdal particulier, dont le planétaire est entraîné en rotation par la turbine, 20 dont le porte-satellites entraîne la première hélice, et dont la couronne entraîne la seconde hélice. Ainsi, à la différence d'un train épicycloïdal simple, la couronne n'est pas fixe, mais mobile. Un tel réducteur n'est pas isostatique, car 25 un degré de liberté est laissé libre pour les vitesses de rotation des hélices. En effet, à une vitesse de rotation donnée pour le planétaire, peuvent correspondre plusieurs couples de vitesses pour le porte-satellites et la couronne. Ainsi, ces vitesses ne 30 sont pas entièrement déterminées par la vitesse de rotation de la turbine entraînant le planétaire. Il est donc impossible de prévoir la répartition exacte des vitesses entre ces deux rotors, et ceci est particulièrement vrai dans le cas d'évènements induisant des perturbations temporaires. Par exemple, quand l'hélice la plus en amont est percutée par un oiseau, elle est ralentie, impliquant que l'autre hélice plus en aval risque de fortement accélérer, jusqu'à se retrouver en survitesse. En effet, la vitesse moyenne des deux vitesses de rotation étant fonction de la vitesse de rotation de la turbine, il s'en suit que le ralentissement de l'une des deux hélices entraîne obligatoirement l'accélération de l'autre.
De même, une situation analogue est rencontrée lorsque l'une des deux hélices se bloque, par exemple suite à la casse d'un roulement. D'autre part, avec un tel train épicycloïdal, les deux hélices ne peuvent subir les mêmes couples aérodynamiques. Les équations d'équilibre mécaniques des satellites montrent que ces deux couples ont nécessairement un rapport constant, dépendant des caractéristiques géométriques du réducteur. Ce rapport est nécessairement différent du rapport unitaire. De ce fait, l'une des deux hélices va générer plus de giration du flux secondaire que l'autre hélice, ce qui se traduit par une giration résiduelle du flux de sortie, limitant sensiblement le rendement de la propulsion.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier aux inconvénients mentionnes ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un système d'hélices contrarotatives pour turbomachine d'aéronef, comprenant une première et une seconde hélices destinées à être mises en rotation autour d'un axe longitudinal du système d'hélices, par rapport à un stator de ce système, ainsi qu'un dispositif de transmission mécanique comprenant un train épicycloïdal muni d'un planétaire centré sur ledit axe longitudinal et destiné à être entraîné par une turbine de ladite turbomachine, au moins un satellite engrenant avec ledit planétaire, un portesatellite(s) entraînant ladite première hélice, ainsi qu'une couronne engrenant avec chaque satellite et entraînant ladite seconde hélice. Selon l'invention, ledit dispositif de transmission mécanique comprend en outre, associé à chaque satellite dudit train épicycloïdal, un satellite secondaire de même axe et solidaire de son satellite associé, ledit dispositif de transmission mécanique comportant également une couronne secondaire à denture intérieure centrée sur ledit axe longitudinal et engrenant avec chaque pignon satellite secondaire, ladite couronne secondaire étant fixe par rapport audit stator du système d'hélices. Avec cet agencement particulier, les vitesses de rotation des deux hélices sont parfaitement déterminées, fonction de la vitesse de rotation de la 3 turbine entraînant le planétaire, et ceci quel que soit le régime adopté par la turbomachine. Cette solution permettant d'obtenir un rapport constant entre les vitesses de rotation des deux hélices est particulièrement intéressante, en ce sens qu'elle reste de conception simple, du type réducteur mono-étage. Le rapport est alors déterminé uniquement par la géométrie du train, et plus particulièrement par les caractéristiques géométriques des dentures. De plus, le nombre de pièces tournantes n'est pas augmenté par rapport à celui rencontré dans les réalisations de l'art antérieur à simple train épicycloïdal, de même que le nombre de roulements requis reste identique.
Avec la solution selon l'invention permettant de supprimer le degré de liberté cinématique laissé libre dans les réalisations antérieures, le rapport entre les vitesses de rotation des deux hélices peut être fixé de la manière désirée par dimensionnement adéquate des éléments constitutifs du dispositif de transmission mécanique. Par exemple, si on recherche un rapport de vitesses égal à un, il suffit de fixer le rapport entre le rayon Rs' de chaque satellite secondaire et le rayon Rs de son satellite associé à la valeur (Rp + Rc)/(Rp + 3.Rc), avec Rp correspondant au rayon du planétaire, et Rc correspondant au rayon de la couronne du train épicycloïdal. Naturellement, ce rapport de vitesses est conservé aussi bien en régime stabilisé qu'en régime transitoire, et reste indépendant du pilotage du système de calage variable des pales d'hélices. A cet égard, il est effectivement prévu que les première et seconde hélices, qui peuvent respectivement être l'hélice amont et l'hélice aval, ou inversement, disposent chacune d'un système de calage variable de leurs pales. Ici, le calage variable des pales n'a plus de fonction de régulation du ratio des vitesses des hélices comme cela était le cas dans l'art antérieur, puisque ces vitesses de rotation des hélices résultent à présent entièrement de la conception du système de transmission mécanique. Le calage variable assure en revanche une fonction d'adaptation de l'angle des pales d'hélices à la vitesse du flux aérodynamique les traversant, comme sur un turbopropulseur classique à une seule hélice. Avec ce calage, il est donc avantageusement possible d'obtenir un couple aérodynamique identique sur les deux hélices, sans modifier le rapport entre leurs vitesses de rotation, constant et fixé par la conception du dispositif de transmission mécanique. Le calage permet ainsi de remplir sa fonction première, qui est de s'assurer que le flux aérodynamique est bien redressé en sortie du système d'hélices, et donc que les deux couples aérodynamiques s'exerçant sur les deux hélices soient égaux, pour un meilleur rendement de propulsion. De préférence, le porte-satellite(s) est solidaire de ladite première hélice, et ladite couronne est solidaire de ladite seconde hélice.
L'invention a par ailleurs pour objet une turbomachine pour aéronef comprenant un système d'hélices contrarotatives tel que décrit ci-dessus, cette turbomachine étant de préférence un turbopropulseur, mais pouvant alternativement être un turboréacteur à soufflante contrarotative. Naturellement, dans ce dernier cas, le dispositif de transmission mécanique précité est destiné à mouvoir la soufflante contrarotative du turboréacteur.
Enfin, l'invention a également pour objet un procédé de pilotage d'un système d'hélices contrarotatives pour turbomachine tel que décrit ci-dessus, le système de calage variable des pales de chaque hélice étant commandé de manière à ce que les deux couples aérodynamiques s'exerçant respectivement sur chaque hélice soient identiques. Naturellement, cette recherche d'un rapport constant entre les deux couples résultant du flux aérodynamique traversant successivement les deux hélices, est réalisée de préférence en permanence, avec des moyens classiques et connus de l'homme du métier, tels que par exemple des capteurs de couples placés sur les hélices, et reliés à une unité de commande des systèmes de calage variable des pales.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des 30 dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue partielle en perspective d'un système d'hélices contrarotatives pour turbomachine d'aéronef, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ; et la figure 2 représente une vue schématique en coupe longitudinale prise selon le plan P de la figure 1. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence conjointement aux figures 1 et 2, on peut apercevoir une partie d'un système d'hélices contrarotatives 1 pour turbomachine d'aéronef, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. Sur les figures, l'axe X correspond à la direction longitudinale du système d'hélices 1, direction qui correspond également à la direction longitudinale de la turbomachine destinée à intégrer un tel système d'hélices 1. L'axe Y correspond quant à lui à la direction transversale du système d'hélices 1, et l'axe Z à la direction verticale ou de la hauteur, ces trois axes étant orthogonaux entre eux. Le système d'hélices 1 comprend un stator ou carter 2 (représenté schématiquement sur la figure 2), centré sur un axe longitudinal 4 du système, parallèle à l'axe X. Ce stator 2 est de façon connue destiné à être solidaire des autres carters de la turbomachine. A cet égard, il est indiqué que le système d'hélices 1 est de préférence conçu de sorte que les hélices soient dépourvues de carénage radial extérieur les entourant, comme visible sur les figures.
De plus, le système d'hélices contrarotatives 1 intègre une première hélice 6 ou hélice amont, portant des pales 6a. De manière analogue, le système 1 comprend une seconde hélice 8 ou hélice aval, portant des pales 8a. Ainsi, les hélices 6, 8 sont décalées l'une de l'autre selon une direction principale d'écoulement de l'air à travers le système 1, représentée schématiquement par la flèche 10 parallèle à l'axe X. Les deux hélices 6, 8 sont destinées à tourner dans des sens opposés autour de l'axe 4 sur lequel elles sont centrées, les rotations s'effectuant par rapport au stator 2 restant immobile. Pour l'entraînement en rotation de ces deux hélices 6, 8, il est prévu un dispositif de transmission mécanique 12, formant réducteur et comprenant notamment un train épicycloïdal 14.
Le train 14 est muni d'un planétaire 16 centré sur l'axe longitudinal 4, et porté par un arbre planétaire 18 de même axe, destiné à être entraîné en rotation directement par un arbre de turbine (non représenté) de la turbomachine. Le planétaire 16, prenant la forme d'une roue dentée extérieurement, dispose d'un rayon référencé Rp sur la figure 2, cette dernière étant prise dans le plan vertical P passant par l'axe 4. Le train 14 comporte également un satellite 20, et de préférence plusieurs comme cela est visible sur la figure 2, chacun d'eux engrenant avec le planétaire 16. Chaque satellite 20 est porté par un arbre satellite 22 d'axe excentré par rapport à l'axe 4, et prend la forme d'une roue dentée extérieurement, disposant d'un rayon référencé Rs sur la figure 2.
En outre, le train 14 est équipé d'un porte-satellites 24 centré sur l'axe longitudinal 4, et portant de manière rotative chacun des satellites 20, par l'intermédiaire de pions longitudinaux 26, respectivement. Le porte-satellites 24 est porté par un arbre de porte-satellites 28 de même axe, solidaire de la première hélice 6, comme cela est le mieux visible sur la figure 2, de manière à pouvoir l'entraîner directement en rotation.
Enfin, le train 14 dispose d'une couronne 30 centrée sur l'axe 4 et portée par un arbre de couronne 32 de même axe, cette couronne 30 engrenant avec chaque satellite 20. L'arbre 32 présente la particularité d'être solidaire de la seconde hélice 8, de manière à pouvoir l'entraîner directement en rotation. Par exemple, cet arbre 32 se trouve situé autour de l'arbre de porte-satellites 28 avec lequel il est concentrique, comme montré sur les figures. La couronne 30, prenant la forme d'une roue dentée intérieurement, dispose d'un rayon référencé Rc sur la figure 2. L'une des particularités de la présente invention réside dans le fait que le dispositif de transmission mécanique 12 comprend également d'autres éléments que le train 14 décrit ci-dessus, ces éléments peu encombrants permettant globalement d'imposer un rapport constant et déterminé entre les vitesses de rotation du porte-satellites 24 et de la couronne 30, correspondant respectivement aux vitesses de l'hélice amont 6 et de l'hélice aval 8.
Parmi ces éléments, il est tout d'abord noté la présence de satellites secondaires 40, chacun associé à un satellite 20 du train épicycloïdal 14. En effet, l'arbre 22 de chaque satellite 20 porte fixement un satellite secondaire 40 de même axe, ce satellite secondaire 40 prenant la forme d'une roue dentée extérieurement, disposant d'un rayon référencé Rs' sur la figure 2. Par conséquent, le mouvement de chaque satellite secondaire 40 par rapport au stator 2 est identique au mouvement de son satellite associé 20 par rapport à ce même stator, et, en particulier, leur vitesse de rotation selon leur axe commun est identique. De plus, le dispositif de transmission mécanique comporte une couronne secondaire 42, à denture intérieure, centrée sur l'axe longitudinal 4, et engrenant avec chaque satellite secondaire 40. Cette couronne secondaire 42 est fixe par rapport au stator 2, de manière à pouvoir obtenir l'effet désiré mentionné ci-dessus, à savoir un rapport constant entre les vitesses de rotation des deux hélices, quel que soit le régime adopté par la turbomachine. Par exemple, pour obtenir un tel rapport de vitesses égal à 1, le dispositif 12 est dimensionné de sorte que l'équation suivante soit respectée : Rs'/Rs = (Rp + Rc)/(Rp + 3.Rc) Ainsi, cette équation montre que le rapport de vitesses peut être maintenu à une valeur constante, de préférence égale à 1, sans être fonction d'un calage particulier des pales d'hélices 6a, 8a. A cet égard, il est tout de même prévu que les hélices 6, 8 disposent chacune d'un système de calage variable de leurs pales (non représenté), de conception classique et connue de l'homme du métier, qui ne sera pas davantage décrite. Le calage variable des pales n'a ici pas pour fonction de réguler le ratio des vitesses des hélices entièrement assurée par la conception du système de transmission mécanique 12 et par la vitesse de rotation de la turbine entraînant le planétaire 16. Le calage variable assure en revanche une fonction d'adaptation de l'angle des pales d'hélices à la vitesse du flux aérodynamique les traversant, comme sur un turbopropulseur classique à une seule hélice. Le calage permet ainsi de remplir sa fonction première, qui est de s'assurer que le flux aérodynamique est bien redressé, et donc que les deux couples s'exerçant sur les deux hélices soient égaux, pour un meilleur rendement de propulsion. Le fonctionnement du système d'hélices contrarotatives 1 va à présent être décrit.
Le planétaire 16 entraîné par la turbine de la turbomachine engrène avec les satellites 20, qui sont ainsi entraînés dans un mouvement épicycloïdal, suivant un roulement sur la couronne fixe 42 de leurs satellites secondaires associés 40.
Ce mouvement se traduit par un déplacement en rotation des arbres de satellites 22 autour de l'axe 4, qui provoque une rotation du porte-satellites 24 autour de ce même axe, et donc une mise en rotation de l'hélice amont 6 qui lui est solidaire. Ce mouvement se traduit par ailleurs par une rotation des satellites 20 autour de leurs axes respectifs, provoquant par
engrènement une rotation de la couronne mobile 30, et donc une mise en rotation de l'hélice aval 8 qui lui est solidaire. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.10

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Système d'hélices contrarotatives (1) pour turbomachine d'aéronef, comprenant une première et une seconde hélices (6, 8) destinées à être mises en rotation autour d'un axe longitudinal (4) du système d'hélices, par rapport à un stator (2) de ce système, ainsi qu'un dispositif de transmission mécanique (12) comprenant un train épicycloïdal (14) muni d'un planétaire (16) centré sur ledit axe longitudinal (4) et destiné à être entraîné par une turbine de ladite turbomachine, au moins un satellite (20) engrenant avec ledit planétaire (16), un porte-satellite(s) (24) entraînant ladite première hélice (6), ainsi qu'une couronne (30) engrenant avec chaque satellite (20) et entraînant ladite seconde hélice (8), caractérisé en ce que ledit dispositif de transmission mécanique (12) comprend en outre, associé à chaque satellite (20) dudit train épicycloïdal, un satellite secondaire (40) de même axe et solidaire de son satellite associé, et en ce que ledit dispositif de transmission mécanique comporte également une couronne secondaire (42) à denture intérieure centrée sur ledit axe longitudinal (4) et engrenant avec chaque satellite secondaire (40), ladite couronne secondaire (42) étant fixe par rapport audit stator (2) du système d'hélices.
2. Système d'hélices contrarotatives (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le rayon Rs' de chaque satellite secondaire (40) et le rayon Rs de son satellite associé (20) est fixé à (Rp + Rc)/(Rp +
3.Rc) ;avec Rp correspondant au rayon du planétaire (16), et Rc correspondant au rayon de la couronne (30). 3. Système d'hélices contrarotatives (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les première et seconde hélices (6, 8) disposent chacune d'un système de calage variable de leurs pales.
4. Système d'hélices contrarotatives (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit porte-satellite(s) (16) est solidaire de ladite première hélice (6), et en ce que ladite couronne (30) est solidaire de ladite seconde hélice (8).
5. Turbomachine pour aéronef comprenant un système d'hélices contrarotatives selon l'une quelconque des revendications précédentes.
6. Procédé de pilotage d'un système d'hélices contrarotatives pour turbomachine d'aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 combinée à la revendication 3, caractérisé en ce que le système de calage variable des pales de chaque hélice est commandé de manière à ce que les deux couples aérodynamiques s'exerçant respectivement sur chaque hélice soient identiques.30
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