FR2944774A1 - Helice non carenee a pales a calage variable pour une turbomachine - Google Patents

Abstract

Hélice non carénée à pales à calage variable pour une turbomachine, les pales de l'hélice étant montées à rotation autour de leurs axes dans des logements radiaux (138) d'un élément de rotor (136) et chaque pale étant fixée sur une platine (144) sur laquelle est vissée une couronne (150), cette platine comprenant une extrémité radialement interne élargie (168) appliquée vers l'extérieur sur une face interne (162) de l'élément de rotor par l'intermédiaire d'un palier (152), et la couronne étant vissée sur la platine à l'extérieur du logement et étant appliquée sur une face externe (164) de l'élément de rotor par l'intermédiaire d'un palier (154).

Description

Hélice non carénée à pales à calage variable pour une turbomachine

La présente invention concerne une hélice à pales à calage variable pour une turbomachine du type à hélices non carénées (en anglais open 5 rotor ou unducted fan ). Une turbomachine de ce type comprend deux hélices externes coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, qui sont chacune entraînées en rotation par une turbine de la turbomachine et qui s'étendent sensiblement radialement à l'extérieur de la nacelle de cette 10 turbomachine. Chaque hélice comprend un élément de rotor polygonal comportant des logements cylindriques sensiblement radiaux répartis autour de l'axe longitudinal de la turbomachine et dans lesquels sont montées des platines de fixation des pales de l'hélice. Chaque pale comprend par exemple un 15 pied à section en queue d'aronde qui est engagé dans une rainure de forme complémentaire de la platine. Dans la technique actuelle, chaque platine comprend un corps sensiblement cylindrique vissé dans une couronne cylindrique qui est centrée et guidée en rotation dans un logement de l'élément de rotor au 20 moyen de butées à rouleaux. Les platines et les couronnes peuvent tourner dans les logements de l'élément de rotor et sont entraînées en rotation autour des axes des pales par des moyens appropriés de façon à régler le calage angulaire des pales, et à l'optimiser en fonction des conditions de fonctionnement de la 25 turbomachine. En fonctionnement, les pales de l'hélice sont soumises à des forces centrifuges très importantes pouvant atteindre 30 000 daN, ces forces étant transmises à l'élément de rotor par l'intermédiaire des platines, des couronnes et des paliers et passant par les filets de vissage des platines 30 dans les couronnes. Ces filets ne sont en général pas conçus pour transmettre de tels efforts et risquent de se détériorer rapidement, limitant ainsi la durée de vie de l'hélice. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.

Elle a pour objet une hélice du type précité dans laquelle la transmission des efforts entre chaque platine de support de pale et l'élément de rotor est assurée par une surface annulaire d'appui relativement importante et non pas par des filets qui sont relativement fragiles.

Elle propose à cet effet une hélice non carénée à pales à calage variable pour une turbomachine, les pales de l'hélice étant montées à rotation autour de leurs axes dans des logements radiaux d'un élément annulaire de rotor et chaque pale étant fixée sur une platine comportant un corps cylindrique sur lequel est vissée une couronne, la platine et la couronne étant centrées et guidées en rotation par des paliers dans un logement radial de l'élément de rotor, caractérisée en ce que la platine comprend une extrémité radialement interne élargie appliquée vers l'extérieur sur une face interne de l'élément de rotor par l'intermédiaire d'un palier, et en ce que la couronne est vissée sur le corps cylindrique de la platine à l'extérieur du logement et est appliquée sur une face externe de l'élément de rotor par l'intermédiaire d'un palier. Selon l'invention, chaque platine de support de pale comprend à son extrémité interne une partie élargie qui est en appui par l'intermédiaire d'un palier de guidage sur l'élément de rotor pour assurer de façon directe la retenue mécanique de la platine et la transmission des efforts centrifuges à l'élément de rotor. La couronne et les filets de vissage de la couronne sur la platine ne sont pas sollicités pour la transmission de ces efforts. Ceci permet d'augmenter de façon notable la durée de vie de l'hélice. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité radialement interne de la platine est tronconique et est appliquée sur une face interne tronconique conjuguée de l'élément de rotor par l'intermédiaire d'une butée à rouleaux ou à aiguilles ou d'un roulement à billes qui peut être du type à contact incliné. La partie élargie de la platine a une forme tronconique s'élargissant vers l'intérieur. La couronne peut comprendre une jupe cylindrique filetée vissée sur le corps cylindrique de la platine et un rebord annulaire formé à une extrémité de la jupe et appliquée sur la face externe de l'élément de rotor par l'intermédiaire du palier précité. La jupe a en section une forme sensiblement en L. Le corps cylindrique de la platine peut en outre comporter une partie filetée radialement à l'extérieur de la couronne et sur laquelle est vissé un écrou de blocage associé à une rondelle-frein. L'écrou de blocage est utilisé pour assurer la mise en appui de la couronne sur le palier de guidage, et n'est donc pas sollicité pour la transmission des efforts transmis par la pale en fonctionnement. La rondelle-frein permet d'immobiliser en rotation l'écrou vis-à-vis de la platine. La présente invention concerne également une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une hélice telle que décrite ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine à hélices non carénées, - la figure 2 est une demi-vue schématique partielle en coupe d'une hélice non carénée de la technique antérieure, et représente une platine de support de pale qui est vissé depuis l'extérieur dans une couronne engagée depuis l'intérieur dans un logement d'un élément de rotor de cette hélice, - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un élément de rotor d'une hélice selon l'invention, et - la figure 4 est une demi-vue schématique partielle en coupe d'une hélice non carénée selon l'invention, et représente une platine de support de pale qui est engagée depuis l'intérieur dans un logement d'un élément de rotor de cette hélice, et sur laquelle est vissée depuis l'extérieur une couronne.

On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbomachine 10 à hélices non carénées (en anglais open rotor ou unducted fan ) qui comporte d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz à l'intérieur de la turbomachine, un compresseur 12, une chambre annulaire de combustion 14, une turbine haute-pression 16, et deux turbines basse- pression 18, 20 qui sont contrarotatives, c'est-à-dire qu'elles tournent dans deux sens opposés autour de l'axe longitudinal A de la turbomachine. Chacune de ces turbines aval 18, 20 est solidaire en rotation d'une hélice externe 22, 24 s'étendant radialement à l'extérieur de la nacelle 26 de la turbomachine, cette nacelle 26 étant sensiblement cylindrique et s'étendant le long de l'axe A autour du compresseur 12, de la chambre de combustion 14, et des turbines 16, 18 et 20. Le flux d'air 28 qui pénètre dans la turbomachine est comprimé puis est mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion 14, les gaz de combustion passant ensuite dans les turbines 16, 18, 20 pour entraîner en rotation les hélices 22, 24 qui fournissent la majeure partie de la poussée générée par la turbomachine. Les gaz de combustion sortant des turbines sont expulsés à travers une tuyère 32 (flèches 30) pour augmenter la poussée. Les hélices 22, 24 sont disposées coaxialement l'une derrière l'autre et comportent une pluralité de pales 34 régulièrement réparties autour de l'axe A de la turbomachine. Ces pales 34 s'étendent sensiblement radialement et sont du type à calage variable, c'est-à-dire qu'elles peuvent tourner autour de leurs axes de façon à optimiser leur position angulaire en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine.

Dans un montage connu représenté en figure 2 et décrit dans le document US-A-5,263,898, chaque hélice 22, 24 comprend un élément de rotor formé par un anneau polygonal 36 qui s'étend autour de l'axe A et qui comporte une pluralité de logements 38 radiaux sensiblement cylindriques dans lesquels sont engagés des moyens de montage des pales 34 de l'hélice.

Chaque pale 34 comprend à son extrémité radialement interne un pied 40 à section du type en queue d'aronde, qui est engagé et retenu dans une rainure 42 d'une platine 44. La platine 44 comprend un corps cylindrique 46 à filetage externe 48 pour son vissage depuis l'extérieur dans une couronne 50 qui est engagée dans le logement 38 de l'anneau polygonal 36 depuis l'intérieur, par rapport à l'axe longitudinal A de la turbomachine. La couronne 50 et la platine 44 sont centrées et guidées en rotation dans le logement 38 au moyen de deux paliers à rouleaux 52, 54, respectivement. Le logement 38 de l'anneau est divisé en deux parties, respectivement radialement interne et externe, par un rebord annulaire interne 56 de l'anneau. Un premier palier à rouleaux 54 est monté radialement à l'extérieur de ce rebord 56, entre ce rebord et la platine 44. Le second palier à rouleaux 52 est monté radialement à l'intérieur du rebord 56, entre ce rebord et la couronne 50. La platine 44 et la couronne 50 sont entraînées en rotation autour de l'axe radial B du logement 38 par des moyens appropriés qui ne sont pas représentés, pour faire tourner la pale 34 autour de cet axe et optimiser son calage angulaire. En fonctionnement, les pales 34 sont soumises à des efforts centrifuges considérables (jusqu'à 30 000 daN) qui sont transmis des pales 34 à l'anneau polygonal 36 par l'intermédiaire des platines, des couronnes, et des paliers à rouleaux 52. Les efforts transitent donc par les filetages 48 des platines et des couronnes, qui en général ne sont pas conçus pour résister à de tels efforts. II serait possible de surdimensionner ces filetages (pas de vis dit "pas d'artillerie") pour qu'ils résistent à ces efforts mais, mécaniquement, l'appui sur des filets (quelle que soit leur forme) pour la transmission de ces efforts n'est pas la meilleure solution pour assurer la longévité et la fiabilité demandées aux pièces aéronautiques. L'invention apporte une solution à ce problème grâce au fait que les efforts précités sont transmis des platines de support des pales à l'anneau polygonal par l'intermédiaire des paliers de guidage des platines. Les liaisons des couronnes sur les platines ne sont donc pas sollicitées pour la transmission de ces efforts, ce qui permet d'allonger de manière significative la durée de vie de l'hélice. Les figures 3 et 4 représentent un mode de réalisation d'une hélice non carénée selon l'invention, les pales de cette hélice n'étant pas représentées pour plus de clarté et étant montées sur leurs moyens de support de la même façon que dans la technique connue. L'anneau polygonal 136 de l'hélice selon l'invention est visible dans son entier en figure 3. II comprend des logements radiaux 138 sensiblement cylindriques, par exemple au nombre de douze, dans chacun desquels sont destinées à être montées une platine et une couronne, comme cela sera expliqué plus en détail dans ce qui suit. L'anneau polygonal 136 comprend une pluralité d'évidements 156 régulièrement répartis autour de l'axe C de l'anneau et formés dans la paroi cylindrique de l'anneau pour l'alléger. Chaque évidement 156 est situé entre deux logements radiaux 138 consécutifs. La figure 4 est une vue partielle à plus grande échelle de cet anneau polygonal 136 dont une coupe axiale a été réalisée sensiblement au milieu d'un logement cylindrique 138 de l'anneau.

Le logement 138 comprend deux surfaces cylindriques 158, 160 coaxiales, respectivement radialement interne et externe, qui ont des diamètres différents et qui sont reliées l'une à l'autre par une surface tronconique 162 s'élargissant radialement vers l'intérieur. La surface cylindrique 158 de plus grand diamètre est reliée à son extrémité radialement externe à l'extrémité de plus grand diamètre de la surface tronconique 162 dont l'extrémité de plus petit diamètre est reliée à l'extrémité radialement interne de la surface cylindrique 160 de plus petit diamètre. L'extrémité radialement externe de cette surface cylindrique 160 est reliée à la périphérie interne d'une surface annulaire 164 sensiblement radiale par rapport à l'axe D du logement.

Des moyens de support d'une pale (non représentée) et de guidage en rotation de cette pale sont montés dans chaque logement 138 de l'anneau polygonal 136. Ces moyens comprennent une platine 144 de support de pale qui est entourée par une couronne 150, la platine 144 et la couronne 150 étant centrées et guidées en rotation dans le logement 138 de l'anneau polygonal 136 au moyen de deux paliers à rouleaux 152, 154 coaxiaux. La platine 144 comprend un corps 146 portant à son extrémité radialement externe des moyens de fixation d'une pale qui sont formés par une rainure 142 à section en queue d'aronde. Le corps 146 de la platine comprend essentiellement une partie cylindrique 166 radialement externe et une partie tronconique 168 coaxiale radialement interne qui s'élargit radialement vers l'intérieur. En position montée représentée en figure 4, la partie tronconique 168 de la platine s'étend au niveau de la surface tronconique 162 du logement 138, sensiblement parallèlement à celle-ci, et sa partie cylindrique 166 s'étend au niveau de la surface cylindrique 160 du logement. Le palier à rouleaux 152, qui est du type à rouleaux coniques dans l'exemple représenté, est monté entre la surface tronconique externe de la partie 168 de la platine et la surface tronconique 162 du logement. La partie cylindrique 166 de la platine comprend un filetage externe 170 pour le vissage de la couronne 150 qui a dans l'exemple représenté une forme sensiblement en L en section. La couronne 150 comporte une jupe cylindrique 172 comportant un filetage interne 174 de vissage sur le corps de la platine et qui est reliée à son extrémité radialement externe à un rebord annulaire 176 s'étendant sensiblement radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe D du logement. Ce rebord annulaire 176 s'étend sensiblement parallèlement à la surface annulaire 164 du logement et est en appui vers l'intérieur par l'intermédiaire du palier à rouleaux 154 sur la surface 164. Le palier 154 est du type à rouleaux cylindriques dans l'exemple représenté. Le corps de la platine comprend à son extrémité radialement externe un filetage externe de vissage d'un écrou 178 qui prend appui vers l'intérieur sur le rebord annulaire 176 de la couronne pour la maintenir en appui radial sur le palier à rouleaux 154 et sur l'anneau 136.

Une rondelle-frein 180 peut être intercalée entre l'écrou 178 et le rebord 176 de la couronne pour immobiliser en rotation l'écrou vis-à-vis de la platine. Cette rondelle comprend par exemple au moins une première patte engagée dans une encoche de forme complémentaire de l'écrou, et au moins une seconde patte engagée dans une encoche de forme complémentaire de la couronne ou de la platine. La platine 144 et la couronne 150 sont montées dans le logement 138 de l'anneau polygonal de la façon suivante : le palier à rouleaux 152 est positionné sur la surface externe de la partie tronconique 168 du corps de la platine, puis la platine est engagée dans le logement par déplacement en translation le long de l'axe D depuis l'intérieur, jusqu'à ce que le palier vienne en appui sur la surface tronconique interne 162 du logement. Le second palier à rouleaux 154 est positionné sur la surface annulaire 164 du logement puis la couronne 150 est vissée depuis l'extérieur sur le corps de la platine, jusqu'à ce que son rebord annulaire 176 vienne en appui sur le palier 154. L'écrou 178 est vissé depuis l'extérieur sur la platine jusqu'à ce qu'il vienne en appui sur la couronne. Le serrage de la couronne 150 et de l'écrou 178 assure la mise en appui des paliers à rouleaux sur les parois du logement et sur la couronne et la platine, respectivement. La rondelle 180 empêche le desserrage involontaire de l'écrou 178.

En fonctionnement, les efforts centrifuges auxquels sont soumises les pales de l'hélice sont transmis à l'anneau polygonal 136 par l'intermédiaire des platines 144 et des paliers 152, les couronnes 150 et les filetages 170, 174 n'étant pas sollicités pour la transmission de ces efforts. La transmission de ces efforts est assurée par les parties tronconiques 168 des platines qui sont en appui sur les paliers 152 qui sont eux-mêmes en appui sur les surfaces tronconiques 162 des logements 138 de l'anneau polygonal. Les parties tronconiques 168 des platines sont conçues pour résister à ces efforts.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Hélice non carénée à pales à calage variable pour une turbomachine, les pales de l'hélice étant montées à rotation autour de leurs axes dans des logements radiaux (138) d'un élément annulaire de rotor (136) et chaque pale étant fixée sur une platine (144) comportant un corps cylindrique (146) sur lequel est vissée une couronne (150), la platine et la couronne étant centrées et guidées en rotation par des paliers (152, 154) dans un logement radial de l'élément de rotor, caractérisée en ce que la platine comprend une extrémité radialement interne élargie (168) appliquée vers l'extérieur sur une face interne (162) de l'élément de rotor par l'intermédiaire d'un palier (152), et en ce que la couronne est vissée sur le corps cylindrique de la platine à l'extérieur du logement et est appliquée sur une face externe (164) de l'élément de rotor par l'intermédiaire d'un palier (154).
2. 2. Hélice selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité radialement interne (168) de la platine (144) est tronconique et est appliquée sur une face interne tronconique (162) conjuguée de l'élément de rotor (136) par l'intermédiaire d'une butée à rouleaux (152), d'une butée à aiguilles, ou d'un roulement à billes.
3. 3. Hélice selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couronne (150) comprend une jupe cylindrique filetée (172) vissée sur le corps cylindrique (146) de la platine (144) et un rebord annulaire (176) formé à une extrémité de la jupe et appliquée sur la face externe (164) de l'élément de rotor (136) par l'intermédiaire du palier (154) précité.
4. 4. Hélice selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le corps cylindrique (146) de la platine (144) comporte une partie filetée radialement à l'extérieur de la couronne (150) et sur laquelle est vissé un écrou de blocage (178) associé à une rondelle-frein (180).
5. 5. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une hélice selon l'une des revendications précédentes.