FR2996585A1 - Pivot de pied de pale comportant un fluide caloporteur - Google Patents

Abstract

L'objet principal de l'invention est un pivot (52) pour un pied de pale (58) d'une pale (48) d'hélice (32) de turbomachine (1), caractérisé en ce qu'il comporte un fluide caloporteur (100) destiné à améliorer les capacités de transfert thermique du pivot (52).

Description

PIVOT DE PIED DE PALE COMPORTANT UN FLUIDE CALOPORTEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines, notamment à celui des hélices non carénées pour turbomachine, et plus spécifiquement au refroidissement des éléments de ces hélices, en particulier les pieds de pales. Elle concerne ainsi un pivot pour pied de pale, une hélice pour turbomachine, et également la turbomachine comportant une telle hélice. L'invention s'applique à tout type de turbomachines terrestres ou aéronautiques, et notamment 15 aux turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus particulièrement, l'invention trouve une application privilégiée dans le domaine des turbomachines pour aéronef dont le récepteur comporte un doublet d'hélices 20 contrarotatives non carénées, ce type de turbomachine étant également dénommé « à soufflantes non carénées », ou portant encore les appellations anglaises « open rotor » ou « propfan ». Une telle turbomachine peut par exemple comporter une soufflante fixée directement sur 25 la turbine de puissance et en dehors de la nacelle, ou entraînée par l'intermédiaire d'une turbine de puissance à réducteur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Sur la figure 1, il est représenté de façon schématique une turbomachine 1 à doublet d'hélices contrarotatives non carénées, dite « open rotor », selon une réalisation classique de l'art antérieur, telle qu'elle est connue de la demande de brevet FR 2 941 494. Sur cette figure 1, la direction A correspond à la direction longitudinale ou direction axiale, parallèle à l'axe longitudinal 2 de la turbomachine 1. La direction B correspond quant à elle à la direction radiale de la turbomachine 1. De plus, la flèche 4 schématise la direction principale d'écoulement des gaz à travers la turbomachine 1. Les termes « amont » et « aval » utilisés dans la suite de la description sont à considérer par rapport à cette direction d'écoulement des gaz 4. En partie avant, la turbomachine 1 présente une entrée d'air 6 se poursuivant vers l'arrière par une nacelle 8, celle-ci comportant globalement une peau extérieure 10 et une peau intérieure 12, toutes les deux centrées sur l'axe 2 et décalées radialement l'une de l'autre. La peau intérieure 12 forme carter radial externe pour un générateur de gaz 14, comprenant de façon classique, de l'avant vers l'arrière, un compresseur basse pression 16, un compresseur haute pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute pression 22, et une turbine de pression intermédiaire 24. Le compresseur 16 et la turbine 24 sont reliés mécaniquement par un arbre 26, formant ainsi un corps basse pression, tandis que le compresseur 18 et la turbine 22 sont reliés mécaniquement par un arbre 28, formant un corps de pression plus élevée. Par conséquent, le générateur de gaz 14 présente de préférence une conception classique, dite à double corps. En aval de la turbine de pression intermédiaire 24 se trouve un récepteur 30 à doublet d'hélices contrarotatives non carénées, entraînées dans cet exemple par des turbines libres de puissance. En variante, une turbine de puissance à réducteur peut être utilisée. Plus précisément, ce récepteur 30 est disposé en aval d'un carter fixe 42, lui-même agencé dans le prolongement arrière du carter radial externe 12 du générateur de gaz 14. D'ailleurs, les carters 12 et 42 peuvent être réalisés d'une seule pièce. Le carter fixe 42 se prolonge ensuite vers l'arrière en se rétrécissant selon la direction radiale, pour former un arbre fixe 57 centré sur l'axe 2, formant le carter fixe du récepteur 30. Le récepteur 30 comporte tout d'abord un premier ensemble tournant 32a muni d'une première hélice 32, d'une première turbine libre de puissance 34 entraînant cette hélice, et d'un premier dispositif structural tournant 33 situé dans le prolongement axial de la turbine libre 34 vers l'avant, en étant interposé entre le premier étage de cette turbine et le carter fixe 42. Le dispositif structural tournant 33 prend généralement la forme d'une pluralité de bras espacés circonférentiellement les uns des autres, et qui s'étendent radialement. Ces bras sont reliés à la première hélice 32 en portant le carter extérieur de turbine 49, lui-même relié à l'hélice 32 grâce en particulier à un flasque ou une pluralité de clips 44 permettant de déporter radialement cette hélice 32 vers l'extérieur. Les clips 44 présentent une extrémité radiale interne solidaire du carter extérieur 49, et une extrémité radiale externe solidaire d'un anneau polygonal (non représenté sur la figure 1) de support des pales 48. Ces pales 48 font saillie radialement vers l'extérieur à partir d'un carter ou capot extérieur d'hélice 46, dont l'une des particularités est de se trouver dans la continuité aérodynamique arrière de la peau extérieure 10 de la nacelle. De manière analogue, le récepteur 30 comporte un second ensemble tournant 36a muni d'une seconde hélice 36, d'une seconde turbine libre de puissance 38 entraînant cette hélice, et d'un second dispositif structural tournant 37 situé dans le prolongement axial de la turbine libre 38 vers l'arrière, en étant situé derrière le dernier étage de cette turbine 38. Le dispositif structural tournant 37, qui s'étend essentiellement radialement, supporte la seconde hélice 36 en lui étant relié grâce en particulier à un flasque ou une pluralité de clips 51 permettant de déporter radialement l'hélice 36 vers l'extérieur. Ici également, les clips 51 présentent une extrémité radiale interne solidaire du carter structural tournant 37, et une extrémité radiale externe solidaire d'un anneau polygonal (non représenté sur la figure 1) de support des pales 55. Ces pales 55 font saillie radialement vers l'extérieur à partir d'un carter ou capot extérieur 54, qui se trouve dans la continuité aérodynamique arrière du capot extérieur 46 de la première hélice 32. Par ailleurs, les première et seconde 5 turbines libres 34, 38 sont imbriquées l'une dans l'autre de manière à former un doublet de turbines contrarotatives. Les étages de la première turbine 34 sont ainsi agencés en alternance avec les étages de la seconde turbine 38, dans la direction A. Ce doublet est 10 donc également assimilable à une turbine à deux rotors contrarotatifs. A titre indicatif, les turbines libres 34, 38 ne disposent d'aucun lien mécanique direct avec les composants tournants du générateur de gaz 14, à savoir qu'elles n'entraînent ni ne sont entraînées par 15 les éléments 16, 18, 22, 24. Seuls les gaz de la veine primaire s'échappant de la turbine de pression intermédiaire 24 assurent donc la mise en rotation de ces turbines libres 34, 38 formant le doublet de turbines contrarotatives. 20 En référence à présent plus spécifiquement aux figures 2 à 4, il est montré de manière plus détaillée la conception de la première hélice 32, étant entendu que la seconde hélice 36 présente une conception identique ou similaire, et qu'elle ne sera 25 donc pas davantage décrite. Comme évoqué précédemment, l'hélice 32 comporte un anneau polygonal 47 servant de support des pales 48, cet anneau 47 formant un moyeu de l'hélice. Il comporte une pluralité de logements 50 espacés 30 circonférentiellement les uns des autres, ces logements 50 étant dénommés logement radiaux. Chacun d'eux reçoit un pivot 52, un roulement 80 étant interposé entre ce pivot 52 et son logement associé 50 formant alésage, comme cela a été représenté sur la figure 3. Chaque pivot 52 présente une partie inférieure 52a placée à l'intérieur de son logement associé, cette partie inférieure 52a étant sensiblement cylindrique et creuse de manière à présenter une section en forme générale de U ouvert radialement vers l'intérieur. De plus, le pivot 52 se prolonge radialement vers l'extérieur par une partie supérieure 52b située au-dessus de l'anneau 47, cette partie supérieure 52b présentant une rainure 56 schématisée sur la figure 4, et dont la fonction est de retenir le pied 58 de la pale associée 48. Ainsi, le pivot 52 porte la pale 48 et permet son calage en incidence par commande de la rotation de ce même pivot 52 au sein de son logement 50 de l'anneau polygonal 47. L'hélice 32 inclut également le capot extérieur 46 uniquement représenté sur les figures 1 et 3. La surface externe de ce capot est épousée par l'air extérieur. A cet égard, il est indiqué que chaque pale 48 est équipée d'une plateforme 59 à partir de laquelle sa partie aérodynamique 60 fait saillie radialement vers l'extérieur. Chaque plateforme 59, de forme circulaire, se trouve placée au sein d'un orifice prévu à travers le capot 46, de manière à obtenir des jonctions aérodynamiques sensiblement affleurantes. Comme cela est le mieux visible sur la figure 3, il est prévu une cavité de pale 64 associée à 30 la pale 48, cette cavité ayant pour but d'isoler le pied de pale du reste de la turbomachine 1, en particulier de la veine primaire passant radialement vers l'intérieur. La cavité 64 a été identifiée schématiquement sur la figure 3 par la ligne en pointillés référencée 64. Elle est effectivement fermée radialement vers l'extérieur par la plateforme 59 et le capot extérieur 46 formant carénage aérodynamique, mais également fermée vers l'amont par un ou plusieurs caches 66, fermée vers l'aval par un ou plusieurs caches 68, et fermée radialement vers l'extérieur par un ou plusieurs caches 70, ici un unique cache 70 fixé au flasque ou aux clips 44 précités. Il est noté qu'une cavité de pied de pale peut être prévue pour chaque pale, comme cela a été schématisé sur la figure 5 avec un cache interne 70 prévu pour chaque pale, ce qui rend les cavités indépendantes les unes des autres. Alternativement, une unique cavité de pieds de pales peut être partagée par toutes les pales 48 de l'hélice 32, l'unique cache interne 70 retenu prenant alors la forme d'une couronne. Comme possibilité de ventilation, chaque cavité 64 peut par exemple être alimentée en air extérieur par une écope 72 ou similaire (par exemple un simple orifice), placée sur le capot extérieur 46.

Cette écope peut notamment être placée en aval, et l'air transitant par la cavité 64 peut par exemple ensuite être extrait par une sortie (non représentée) située plus en amont. En transitant par la cavité 64, l'air extérieur frais vient épouser et refroidir par ventilation les éléments situés dans cette cavité 64, en particulier le pied 58 de la pale comme cela a été schématisé par la flèche 53. La ventilation et le refroidissement des éléments de l'hélice 32, et en particulier des pieds de pale 58, sont difficiles à réaliser, notamment en raison des conditions de pression à faible nombre de Mach. Toutefois, une telle ventilation et un tel refroidissement sont particulièrement importants à mettre en oeuvre lorsque les pales 48 sont réalisées en matériaux composites, ayant une tenue réduite aux hautes températures en comparaison avec les matériaux métalliques. Or, dans la configuration représentée sur la figure 1 dite « pousseur » (ou « pusher » en anglais), dans laquelle les hélices non carénées sont situées à l'arrière en aval de la chambre de combustion, ces hélices sont agencées juste au-dessus de la veine primaire où les gaz chauds peuvent atteindre 500°C. Il est donc essentiel de prévoir une ventilation spécifique pour éviter une surchauffe des pieds de pale de ces hélices non carénées. Néanmoins, la solution proposée décrite ci-dessus utilise uniquement la différence de pression entre la prise d'air dynamique en aval formée par l'écope 72, et la sortie d'air statique en amont. Elle est donc très dépendante de la vitesse de l'avion, ce qui s'avère néfaste lors de certaines phases comme le ralenti et le décollage, où le débit d'air épousant le pied de la pale peut s'avérer insuffisant pour permettre un refroidissement satisfaisant.

Par ailleurs, cette solution connue de l'art antérieur présente l'inconvénient de ne réaliser le refroidissement et la ventilation des pieds de pale 58 que par l'extérieur des pivots 52. Autrement dit, les pieds de pale 58 ne sont pas refroidis au contact direct du flux d'air de ventilation mais uniquement par des mécanismes de conduction et/ou de convection du fait d'un contact avec des pièces qui, elles, sont refroidies par le flux de ventilation. De ce fait, le refroidissement des pieds de pale 58 n'est pas optimal.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a ainsi pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.

L'invention a notamment pour but de proposer une solution pour permettre une ventilation et un refroidissement efficaces de pieds de pale, en particulier réalisés en matériaux composites. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un 20 de ses aspects, un pivot pour un pied de pale d'une pale d'hélice de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte un fluide caloporteur destiné à améliorer les capacités de transfert thermique du pivot. 25 Le fluide caloporteur peut en particulier interagir avec un flux d'air de ventilation permettant le refroidissement du pied de pale. Le flux d'air est en particulier un flux d'air extérieur, notamment un flux d'air extérieur froid pour permettre une 30 ventilation.

Grâce à l'invention, il peut être possible de ventiler et de refroidir les pieds de pale en permettant une circulation du flux d'air de ventilation directement au contact des pieds de pale. La présence 5 du fluide caloporteur dans le pivot peut permettre d'améliorer la conductivité thermique du pivot et donc d'augmenter les échanges thermiques. L'amélioration du transfert thermique du pivot peut alors par exemple permettre de mieux évacuer les calories apportées par 10 la veine chaude des gaz d'échappement situés sous le pivot ou par toute autre source de chaleur. Le pivot selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes 15 combinaisons techniques possibles. Le fluide caloporteur peut être de différents types. Il peut comporter par exemple de l'huile ou de l'eau injectée dans le pivot. De préférence, le fluide caloporteur peut comporter du 20 sodium. Le fluide caloporteur peut être injecté dans une cavité créée dans le pivot. De préférence, le fluide caloporteur est contenu dans une enceinte, celle-ci étant notamment fermée hermétiquement. 25 Le pivot peut comporter une partie inférieure sensiblement cylindrique et creuse présentant une section en forme générale de U, et une partie supérieure présentant une rainure pour retenir le pied de pale. 30 Le fluide caloporteur peut être situé à l'intérieur de la partie inférieure du pivot.

L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une hélice pour turbomachine comportant une pluralité de pales ainsi qu'un anneau de support de pales pourvu de logements recevant chacun un pivot portant le pied de l'une desdites pales, caractérisée en ce qu'au moins un composant, notamment un pivot et/ou une pale, de l'hélice comporte un fluide caloporteur destiné à améliorer les capacités de transfert thermique dudit au moins un composant de l'hélice. L'hélice peut en particulier être une hélice non carénée. Le fluide caloporteur peut être contenu dans le pivot ou tout autre pièce sensible en mécanique et thermique, par exemple un carter ou une pale. Le fluide caloporteur comporte de préférence du sodium. L'hélice peut comporter un pivot tel que défini précédemment.

Les pales et/ou le pivot peuvent être réalisés en matériau composite. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une turbomachine caractérisée en ce qu'elle comporte un pivot tel que défini précédemment ou une hélice telle que définie précédemment. L'hélice peut par exemple se situer en amont ou en aval d'une chambre de combustion de la turbomachine.

La turbomachine peut préférentiellement être du type « open rotor ». En particulier, la turbomachine peut comporter un doublet d'hélices contrarotatives non carénées, chacune des deux hélices étant une hélice telle que définie précédemment.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'une turbomachine pour aéronef comportant un récepteur à doublet d'hélices contrarotatives, selon une conception classique de l'art antérieur, - la figure 2 représente une vue partielle en perspective de l'une des hélices contrarotatives de la turbomachine montrée sur la figure 1, - la figure 3 représente une vue partielle en coupe montrant de manière plus détaillée l'anneau de support des pales de l'hélice, et les éléments environnants, - la figure 4 représente une vue éclatée en perspective d'une pale et de son pivot associé, - la figure 5 représente une vue en perspective d'une hélice de l'art antérieur, équipée de plusieurs cavités de pieds de pales, et - la figure 6 représente, en perspective, un exemple de pivot conforme à l'invention.

Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER Il va être décrit ci-après, en référence à la figure 6, un exemple de réalisation de l'invention se rapportant à une turbomachine d'aéronef à doublet d'hélices contrarotatives non carénées, cet exemple n'étant toutefois pas limitatif.

La figure 6 est schématique et partielle, et il convient de se référer aux figures 1 à 5 précédemment décrites pour la visualisation des éléments non représentés sur la figure 6. En référence à la figure 6, on a représenté un exemple de pivot 52 conforme à l'invention. Le pivot 52 comporte une partie inférieure 52a sensiblement cylindrique et creuse présentant une section en forme générale de U, ainsi qu'une partie supérieure 52b présentant une rainure 56 pour retenir le pied de pale 58. Conformément à l'invention, le pivot 52 comporte un fluide caloporteur 100, celui-ci comportant notamment du sodium. Le fluide caloporteur 100 est par exemple contenu dans une enceinte 101, logée à l'intérieur du pivot 52, dans la partie inférieure 52a.

La présence du sodium 100 dans l'enceinte 101 permet d'améliorer la conductivité thermique du pivot 52 et ainsi d'augmenter les échanges thermiques possibles avec un flux d'air de ventilation pour refroidir le pied de pale 58. En particulier, il peut être possible de conduire la chaleur depuis le bas du pivot 52, c'est-à-dire depuis le bas de la partie inférieure 52a proche de la veine chaude, vers le haut du pivot 52, c'est-à- dire au niveau de la partie supérieure 52b près du pied de pale 58 au contact de l'air frais de ventilation. L'enceinte 101 peut être réalisée par usinage. L'enceinte 101 doit de préférence être réalisée de façon à ne pas limiter la tenue mécanique du pivot 52. En particulier, l'enceinte 101 doit pouvoir être fermée hermétiquement une fois le sodium 100, ou tout autre fluide caloporteur, injecté à l'intérieur de celle-ci. Il est notamment important de prévoir qu'aucune bulle d'air ne soit emprisonnée à l'intérieur de l'enceinte 101 une fois celle-ci remplie de sodium, afin d'éviter tout risque de réaction chimique divergente entre le sodium 100 et l'eau contenue dans l'air sous forme d'humidité.

De plus, la présence de bulles d'air dans l'enceinte 101 pourrait entraîner un réchauffement de l'air du fait des transferts thermiques, ce qui entraînerait une augmentation de pression dans l'enceinte 101 et ainsi une augmentation non souhaitable des sollicitations mécaniques du pivot 52.

Dans ce qui précède, les pales 48 et/ou le pivot 52 peuvent être réalisés en matériau composite. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit.

5 Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier. L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié. 10

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Pivot (52) pour un pied de pale (58) d'une pale (48) d'hélice (32) de turbomachine (1), caractérisé en ce qu'il comporte un fluide caloporteur (100) destiné à améliorer les capacités de transfert thermique du pivot (52).
2. 2. Pivot (52) selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce que le fluide caloporteur (100) comporte du sodium.
3. 3. Pivot (52) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide caloporteur (100) 15 est contenu dans une enceinte (101) fermée hermétiquement.
4. 4. Pivot (52) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 20 comporte une partie inférieure (52a) sensiblement cylindrique et creuse présentant une section en forme générale de U, et une partie supérieure (52b) présentant une rainure (56) pour retenir le pied de pale (58), le fluide caloporteur (100) étant situé à 25 l'intérieur de la partie inférieure (52a).
5. 5. Hélice (32) pour turbomachine (1) comportant une pluralité de pales (48) ainsi qu'un anneau de support de pales (47) pourvu de logements 30 (50) recevant chacun un pivot (52) portant le pied (58) de l'une desdites pales (48),caractérisée en ce qu'au moins un composant, -notamment un pivot (52) et/ou une pale -(48), de l'hélice (32) comporte un fluide caloporteur (100) destiné à améliorer les capacités de transfert thermique dudit au moins un composant de l'hélice (32).
6. 6. Hélice selon la revendication 5, caractérisée en ce que le fluide caloporteur (100) comporte du sodium.
7. 7. Hélice selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un pivot (52) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
8. 8. Hélice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pales (48) et/ou le pivot (52) sont réalisés en matériau composite.
9. 9. Turbomachine (1) caractérisée en ce qu'elle comporte un pivot (52) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou une hélice (32) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8.
10. 10. Turbomachine selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une hélice (32) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, et en ce que ladite hélice (32) se situe en aval d'une chambre de combustion (20) de ladite turbomachine, ladite turbomachine comportant de préférence un doublet d'hélices contrarotatives non carénées, chacune desdeux hélices (32, 36) étant une hélice selon l'une quelconque des revendications 5 à 8.