FR2947588A1

FR2947588A1 - Systeme pour faire varier l'incidence des aubes d'une soufflante de turbomachine pour aeronef, utilisant un moteur/generateur

Info

Publication number: FR2947588A1
Application number: FR0954565A
Authority: FR
Inventors: Marc Alfred Raes
Original assignee: Hispano Suiza SA
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-07
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: FR2947588B1

Abstract

La présente invention se rapporte à un système pour faire varier l'incidence des aubes (10) d'une soufflante de turbomachine pour aéronef, comprenant : - des moyens de couplage en rotation (31), selon un axe de pivotement d'aube (14), de chaque aube avec le disque de soufflante (2) ; - une machine électrique (30) ; et - des moyens de commande (32) du système conçus pour le faire fonctionner alternativement selon deux modes distincts, parmi lesquels un mode de calage en incidence dans lequel les moyens de couplage en rotation occupent une configuration désactivée et la machine électrique occupe une configuration moteur, et un mode générateur de puissance dans lequel les moyens de couplage en rotation occupent une configuration activée et la machine électrique occupe une configuration générateur.

Description

SYSTEME POUR FAIRE VARIER L'INCIDENCE DES AUBES D'UNE SOUFFLANTE DE TURBOMACHINE POUR AERONEF, UTILISANT UN MOTEUR/GENERATEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte de façon générale au domaine des systèmes pour faire varier 10 l'incidence des aubes d'une soufflante de turbomachine pour aéronef, ce type de système étant également dénommé dispositif de calage en incidence ou encore dispositif de variation de pas. Ici, le terme soufflante doit être 15 considéré au sens large, c'est-à-dire désignant toute hélice, carénée ou non. Aussi, l'invention s'applique à toute turbomachine pour aéronef comprenant au moins une soufflante, tel qu'un turbopropulseur à soufflante 20 unique, ou encore un turbopropulseur à deux soufflantes contrarotatives, à savoir à double rangée d'aubes contrarotatives, par exemple du type Open Rotor (de l'anglais à rotor non caréné ). ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE 25 De l'art antérieur, il est connu un système pour faire varier l'incidence des aubes d'une soufflante, basé sur l'utilisation d'un vérin hydraulique dont le piston est relié mécaniquement à une roue d'entraînement des pieds d'aubes. La variation5 2 de l'incidence des aubes s'opère en modifiant l'étendue de sortie du piston. Ce principe répandu présente néanmoins l'inconvénient de nécessiter un circuit hydraulique conséquent, intégrant en plus du vérin, une pompe, un réservoir d'huile, et une tuyauterie importante. Cela s'avère coûteux en termes de masse et d'encombrement, alors que la soufflante qui intègre ce système est déjà fortement encombrée par la présence d'autres équipements. De plus, la présence d'un circuit hydraulique génère un risque de fuite d'huile susceptible de provoquer un feu au sein de la turbomachine.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un système pour faire varier l'incidence d'au moins une aube d'une soufflante de turbomachine pour aéronef, ladite aube étant montée pivotante, selon un axe de pivotement, sur un disque de soufflante, ledit système comprenant : - des moyens de couplage en rotation, selon ledit axe de pivotement, de ladite aube avec le disque de soufflante, ces moyens de couplage en rotation pouvant alternativement adopter une configuration activée et une configuration désactivée ; 3 une machine électrique pouvant alternativement adopter une configuration moteur et une configuration générateur ; - des moyens de transmission mécanique agencés entre l'aube et un arbre rotatif de la machine électrique ; et - des moyens de commande du système conçus pour le faire fonctionner alternativement selon deux modes distincts, parmi lesquels un mode de calage en incidence dans lequel les moyens de couplage en rotation occupent leur configuration désactivée et la machine électrique occupe sa configuration moteur, et un mode générateur de puissance dans lequel les moyens de couplage en rotation occupent leur configuration activée et la machine électrique occupe sa configuration générateur. L'invention propose donc un système permettant de faire varier l'incidence d'une ou plusieurs aubes d'une soufflante en utilisant une machine électrique comme élément d'entraînement. Il en résulte une suppression du circuit hydraulique encombrant rencontré dans l'art antérieur, ainsi qu'une suppression du risque de fuite associé à la présence de ce circuit. De façon générale, la conception et l'encombrement du système se trouvent simplifiés. Pour permettre une variation de l'incidence des aubes, la machine électrique est utilisée en configuration moteur. Mais un autre avantage lié à la présente invention réside dans le fait de pouvoir utiliser cette même machine électrique en configuration générateur, entre les phases de variation d'incidence 4 des aubes. En mode générateur de puissance, le système permet donc d'alimenter des équipements de la turbomachine au même titre que des générateurs électriques de puissance classiquement implantés dans les turbomachines, et/ou de stocker de l'énergie, notamment en vue de la restituer pour alimenter la machine électrique en configuration moteur lors des phases ultérieures de variation d'incidence des aubes. Etant donné que le système va essentiellement fonctionner en mode générateur de puissance, par exemple 97 à 99% du temps contre 1 à 3 % pour le mode de calage en incidence, la puissance susceptible d'être produite par la machine électrique s'avère très conséquente.

De façon générale, le fait que la machine électrique puisse remplir deux fonctions distinctes implique une optimisation de la masse et de l'encombrement de la soufflante et de la turbomachine qui en sont équipées.

De préférence, lesdits moyens de transmission mécanique sont un système d'engrenages, même si d'autres solutions technologiques pourraient être retenues, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, ladite machine électrique est sans balai, à savoir parfaitement adaptée pour basculer facilement de la configuration moteur à la configuration générateur, et inversement. De préférence, lesdits moyens de couplage en rotation comprennent un électro-aimant, ou encore une indexation mécanique, par exemple comprenant une came coopérant avec un chemin de roulement circulaire pourvu d'une pluralité de creux formant indexations. L'invention a également pour objet une soufflante pour turbomachine d'aéronef comprenant au 5 moins un système tel que décrit ci-dessus. Une possibilité réside dans l'implantation de plusieurs de ces systèmes, chacun associé à une aube donnée de la soufflante. Une autre possibilité préférée réside dans l'implantation d'un seul système partagé par toutes les aubes de la soufflante. A cet égard, il est préférentiellement prévu que la soufflante intègre en outre un disque de soufflante centré sur un axe longitudinal, un arbre d'entraînement en rotation dudit disque également centré sur l'axe longitudinal, et une pluralité d'aubes de soufflante chacune montée pivotante sur ledit disque de soufflante, selon un axe de pivotement, ledit système pour faire varier l'incidence étant commun à toutes les aubes de la soufflante.

De préférence, lesdits moyens de transmission mécanique du système comprennent : - des premières roues dentées, chacune centrée sur l'axe de pivotement d'une aube lui étant associée et solidaire en rotation d'un pied de cette aube ; une seconde roue dentée solidaire en rotation dudit arbre rotatif de la machine électrique ; et une couronne dentée centrée sur l'axe 30 longitudinal, coopérant avec lesdites premières et seconde roues dentées. Il est noté que cette 6 coopération peut s'effectuer par le biais de contacts directs, ou par le biais d'autres éléments dentés interposés entre la couronne et les roues. Il est alors prévu que ladite couronne présente une piste extérieure dentée engrenant avec lesdites premières roues dentées, et une piste intérieure dentée engrenant avec ladite seconde roue dentée, même si une solution inverse pourrait être envisagée, sans sortir du cadre de l'invention.

Enfin, l'invention a également pour objet une turbomachine pour aéronef comprenant au moins une soufflante telle que décrite ci-dessus. Comme mentionné ci-dessus, il peut s'agir d'un turbopropulseur à soufflante unique, ou encore un turbopropulseur à deux soufflantes contrarotatives, à savoir à double rangée d'aubes contrarotatives, par exemple du type Open Rotor . Dans ce dernier cas, chacune des deux soufflantes présente donc son/ses propre(s) système(s) pour faire varier l'incidence de ses aubes.

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 25 dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une soufflante pour turbomachine d'aéronef, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ; 7 la figure 2 représente une vue schématique en coupe prise le long de la ligne II-II de la figure 1. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence à la figure 1, on peut apercevoir une soufflante 1 pour turbomachine d'aéronef, de préférence du type turbopropulseur à soufflante unique. La soufflante comprend un disque 2 centré sur un axe longitudinal 4 de la soufflante, ce disque étant monté à rotation par rapport à un stator 6 de la soufflante, selon l'axe 4. Il est entraîné en rotation par un arbre d'entraînement 8 également centré sur l'axe longitudinal 4, cet arbre pouvant être un arbre de sortie d'une boite de vitesse alimentée par un générateur des gaz de la turbomachine, ou encore un arbre de sortie de ce permanent en rotation s'effectue de manière métier. générateur des gaz. Le couplage de l'arbre 8 avec le rotor 2 classique, connue de l'homme du Au niveau de sa porte une pluralité de aubes exemple une dizaine ou plus, dans un orifice correspondantpériphérie, le disque 2 de la soufflante 10, par chacune montée pivotante 12 du disque 2, selon un axe de pivotement 14. Les axes de pivotement 14 sont tous situés dans un même plan orthogonal à l'axe de la soufflante 4. La soufflante 1 comprend également un système 100 pour faire varier l'incidence des aubes, le 30 système étant ici commun à toutes les aubes, et 8 permettant donc un pilotage simultané de leur incidence. Ce système 100 comprend globalement quatre ensembles principaux, le premier étant des moyens de couplage en rotation, selon l'axe de pivotement, de chaque aube avec le disque de soufflante, le second étant une machine électrique, le troisième étant des moyens de transmission mécanique agencés entre les aubes et la machine électrique, et le quatrième étant des moyens de commande du système. Tout d'abord en ce qui concerne les moyens de transmission mécanique 20, montrés sur les figures 1 et 2, ceux-ci comprennent des premières roues dentées 22, chacune centrée sur l'axe de pivotement 14 d'une aube 10 lui étant associée. Chaque première roue 22 est solidaire en rotation d'un pied de son aube associée, selon l'axe de pivotement 14. Dans le mode de réalisation préféré représenté, la première roue 22 se situe au niveau de l'extrémité radiale interne de l'aube 10. De plus, les moyens de transmission 20 comprennent une couronne dentée 24 centrée sur l'axe 4, et montée librement en rotation autour de l'arbre d'entraînement 8. Elle présente une piste extérieure dentée 24a engrenant avec chacune des premières roues dentées 22, espacées les unes des autres dans la direction tangentielle ou circonférentielle. Pour ce faire, les dentures sont préférentiellement tronconiques, étant donné que les axes 14 des premières roues 22 sont agencés de manière orthogonale à l'axe 4 de la couronne 24. 9 Cette couronne 24 présente également une piste intérieure dentée 24b engrenant avec une seconde roue dentée 26 faisant partie intégrante des moyens 20, et montée solidairement en rotation sur un arbre rotatif 28 de la machine électrique référencée 30, dont le stator est fixe par rapport au stator 6 de la soufflante. Ici, les dentures peuvent être droites ou hélicoïdales, l'axe 4 de la couronne 24 étant parallèle à l'axe de la seconde roue dentée 26.

Pour ce qui concerne les moyens 31 de couplage en rotation des aubes avec le rotor, selon les axes de pivotement 14, ceux-ci comprennent effectivement, associés à chaque aube 10, des moyens pouvant alternativement adopter une configuration activée dans laquelle ils procurent un couplage en rotation de l'aube 10 avec le disque 2 selon l'axe de pivotement 14 concerné, et une configuration désactivée dans laquelle ce couplage est rompu, impliquant une possibilité de libre rotation de l'aube 10 dans son logement 12 du disque 2, selon son axe de pivotement 14. Il s'agit par exemple d'un électro-aimant placé sur la première roue dentée 22 de l'aube, et susceptible de coopérer avec le disque 2. La machine électrique 30 a quant à elle la particularité de pouvoir alternativement adopter une configuration moteur, et une configuration générateur. Elle est de préférence du type sans balai, également dénommé machine Brushless . Les moyens de commande du système, représentés schématiquement et portant la référence 32 sur la figure 1, sont conçus pour faire fonctionner ce 10 système 100 alternativement selon deux modes distincts, à savoir selon un mode de calage en incidence, et selon un mode générateur de puissance. Pour adopter le mode générateur de puissance, les moyens de commande 32 ordonnent aux moyens de couplage en rotation 31 d'occuper leur configuration activée, de manière à bloquer les aubes en rotation selon leurs axes 14, vis-à-vis du disque 2. De plus, ils ordonnent à la machine électrique 30 d'occuper sa configuration générateur. Dans un tel mode, lorsque le disque 2 de la soufflante 1 tourne selon l'axe 4, il entraîne en rotation les premières dents 22 selon ce même axe 4. Du fait de leur blocage en rotation selon les axes de pivotement 14, ces dents 22 entraînent en rotation la couronne 24 également selon l'axe 4, qui, en tournant, entraîne à son tour la seconde roue dentée 26 et l'arbre rotatif 28 qui la porte. La rotation de l'arbre 28, qui correspond ici à un arbre d'entrée de la machine, apporte alors l'énergie mécanique qui est transformée par cette même machine 30 en énergie électrique, directement utilisée par des équipements de la turbomachine, et/ou stockée dans des moyens appropriés 36 représentés schématiquement sur la figure 1. La machine 30 fonctionne alors en effet comme un générateur de puissance. Il est noté que ce mode générateur de puissance adopté par le système 100 peut être conservé tant que le calage en incidence des aubes n'est pas à être modifié, c'est-à-dire la majeure partie du temps de fonctionnement de la turbomachine. 11 En revanche, ce mode est rompu dès lors qu'une modification de l'incidence des aubes est requise, par exemple ordonnée par le système de régulation électronique numérique à pleine autorité du moteur, également dénommé FADEC , représenté schématiquement sur la figure 1 et portant la référence 38. Une telle information de modification de l'incidence est en effet transmise du FADEC aux moyens de commande 32, qui ordonne alors un basculement du mode générateur de puissance en mode de calage en incidence. Pour adopter ce mode de calage en incidence, les moyens de commande 32 ordonnent aux moyens de couplage en rotation 31 d'occuper leur configuration désactivée, de manière à libérer les aubes en rotation selon leurs axes 14, vis-à-vis du disque 2. De plus, ils ordonnent à la machine électrique 30 d'occuper sa configuration moteur. Plus précisément, les moyens 32 ordonnent au moteur 30 de tourner à une vitesse donnée en fonction de l'action désirée. A cet égard, il est indiqué que dans le cas où la couronne 24 est entraînée en rotation par l'arbre 28 et la seconde roue 26 dans le même sens que le disque 2, et à une vitesse de rotation identique, les premières roues 22 ne tournent pas selon leurs axes 14. L'incidence des aubes 10 demeure alors inchangée. Dans le premier cas où l'incidence des aubes 10 doit être modifiée en faisant tourner les premières roues 22 dans un sens donné selon leurs axes 14, le moteur 30 est alors piloté de manière à ce que la couronne 24 tourne plus vite que le disque 12 2. C'est donc le différentiel de vitesses de rotation des éléments 2 et 24 qui procure le pivotement simultané des aubes 10, ce pivotement étant stoppé lorsque l'incidence désirée à été atteinte. A ce titre, l'arrêt du pivotement peut être obtenu par l'activation des moyens de couplage 31, et/ou par l'adoption d'une vitesse de rotation de la couronne 24 identique à celle du disque 2. Dans le second cas où l'incidence des aubes 10 doit être modifiée en faisant tourner les premières roues 22 dans le sens opposé au sens donné, le moteur 30 est alors ralenti de manière à ce que la couronne 24 tourne moins vite que le disque 2. Ici encore, c'est le différentiel de vitesses de rotation des éléments 2 et 24 qui procure le pivotement simultané des aubes 10. Par ailleurs, lorsque la turbomachine est à l'arrêt et qu'un pilotage en incidence des aubes est requis, l'arbre 28 du moteur 30 est alors mis en mouvement dans l'un ou l'autre des sens de rotation.

L'énergie utilisée durant les modes de calage en incidence peut être celle préalablement stockée dans les moyens 36, durant les modes antérieurs de générateur de puissance du système 100. Enfin, il est indiqué qu'un capteur 40 de positionnement en incidence des aubes peut équiper la soufflante, par exemple en étant solidaire du stator 6. Chaque aube 10 est alors équipée d'un système de graduation 42, par exemple agencé sur sa première roue 22, capable de renseigner sur l'incidence réelle adoptée par cette aube. De cette manière, à chaque passage d'une aube 10 au droit du capteur fixe 40, 13 celui-ci acquiert l'information délivrée par le système de graduation 42 de cette aube, puis transmet cette information au FADEC 38 et/ou aux moyens de commande 32. Cela permet de connaitre précisément l'incidence réelle de chaque aube, à chaque tour du disque 2 de la soufflante 1. 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.

Claims

REVENDICATIONS1. Système (100) pour faire varier l'incidence d'au moins une aube (10) d'une soufflante 5 de turbomachine pour aéronef, ladite aube étant montée de pivotement (14), sur un soufflante (2), ledit système étant en ce qu'il comprend : - des moyens de couplage en rotation (31), 10 selon ledit axe de pivotement (14), de ladite aube avec le disque de soufflante, ces moyens de couplage en rotation pouvant alternativement adopter une configuration activée et une configuration désactivée ; une machine électrique (30) pouvant 15 alternativement adopter une configuration moteur et une configuration générateur ; - des moyens de transmission mécanique (20) agencés entre l'aube (10) et un arbre rotatif (28) de la machine électrique (30) ; et 20 - des moyens de commande (32) du système conçus pour le faire fonctionner alternativement selon deux modes distincts, parmi lesquels un mode de calage en incidence dans lequel les moyens de couplage en rotation (31) occupent leur configuration désactivée et 25 la machine électrique (30) occupe sa configuration moteur, et un mode générateur de puissance dans lequel les moyens de couplage en rotation (31) occupent leur configuration activée et la machine électrique (30) occupe sa configuration générateur. pivotante, selon un axe disque de caractérisé 30 15
2. Système selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de transmission mécanique (20) sont un système d'engrenages.
3. Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel ladite machine électrique (30) est sans balai.
4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de couplage en rotation (31) comprennent un électro-aimant.
5. Soufflante (1) pour turbomachine d'aéronef comprenant au moins un système (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
6. Soufflante selon la revendication 5, intégrant en outre un disque de soufflante (2) centré sur un axe longitudinal (4), un arbre d'entraînement en rotation (8) dudit disque (2) également centré sur l'axe longitudinal (4), et une pluralité d'aubes de soufflante (10) chacune montée pivotante sur ledit disque de soufflante, selon un axe de pivotement (14), ledit système pour faire varier l'incidence étant commun à toutes les aubes de la soufflante.
7. Soufflante selon la revendication 6, dans laquelle lesdits moyens de transmission mécanique (20) du système comprennent : 16 - des premières roues dentées (22), chacune centrée sur l'axe de pivotement (14) d'une aube lui étant associée et solidaire en rotation d'un pied de cette aube ; - une seconde roue dentée (26) solidaire en rotation dudit arbre rotatif (28) de la machine électrique (30) ; et - une couronne dentée (24) centrée sur l'axe longitudinal (4), coopérant avec lesdites premières et seconde roues dentées (22, 26).
8. Soufflante selon la revendication 7, dans laquelle ladite couronne (24) présente une piste extérieure dentée (24a) engrenant avec lesdites premières roues dentées (22), et une piste intérieure dentée (24b) engrenant avec ladite seconde roue dentée (26).
9. Turbomachine pour aéronef comprenant au moins une soufflante (1) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8.25