FR3004420A1 - Berceau de suspension d'un turbopropulseur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un berceau de suspension d'un turbopropulseur comprenant au moins une bielle (1) de forme allongée et à section transversale constante sur la majorité de sa longueur, fixée dans la structure du berceau par ses extrémités, caractérisé par le fait que la dimension de cette section transversale est allongée dans une des directions perpendiculaires (Z1) à l'axe d'allongement (X1) de la bielle.

Description

Domaine technique : La présente invention se rapporte à la fixation des groupes moteurs sur les aéro- nefs. Elle concerne plus particulièrement la constitution d'un berceau de suspension d'un turbopropulseur, ce berceau comportant une structure en treillis avec des bielles. Etat de l'art : Le turbopropulseur étant situé dans le courant de l'hélice qu'il entraîne, son sys- tème de suspension à l'avion doit représenter le minimum d'encombrement autour du moteur pour minimiser la taille de l'obstacle que représente le bloc moteur dans l'écoulement de l'hélice. Pour les turbopropulseurs de forte puissance, ce système de propulsion doit reprendre à la fois de fortes poussées et un couple important. De plus, dans la conception des avions à hélices, on cherche à dégager le plus possible celles-ci de l'aile. Le système de suspension doit donc également supporter le poids du turbopropulseur en porte-à-faux par rapport à la structure de l'avion à laquelle il est fixé. La figure 1 représente schématiquement un berceau selon l'état de la technique formant un système de suspension adapté à un turbopropulseur. Le berceau est com- posé d'arceaux liés entre eux par un treillis de bielles. Le moteur est fixé aux arceaux 10a, 10b, 10c qui ont une forme enveloppant ce dernier par le haut tout en laissant libre la partie basse, que ce soit pour son entretien ou sa dépose. Le berceau est lui-même fixé à la structure de l'avion. Le treillis de bielles doit assurer la rigidité du berceau et sa tenue aux efforts exercés par le moteur, en particu- lier les efforts de poussée et le poids du moteur en porte-à faux. Cela implique que cer- taines bielles sont soumises à des efforts importants en compression et doivent donc être dimensionnées en conséquence pour résister au flambage. Par ailleurs, le turbopropulseur en fonctionnement produit des vibrations importantes à certaines fréquences. Il est donc important de faire en sorte que le berceau dans son ensemble, mais aussi pour chacun de ses composants, notamment les bielles, n'ait pas de fréquences de résonnance dans les plages de fréquences de vibration du moteur. Selon l'état de l'art, le treillis est conçu avec des bielles creuses de section circu- laire. Le dimensionnement de la bielle pour résister aux contraintes de flambage con- duit, dans l'application considérée, à des diamètres de section importants, donc pénalisants en termes de poids et d'encombrement du berceau La présente invention a pour but de proposer une alternative aux bielles creuses à section circulaire dans le but d'améliorer le poids, l'encombrement et la réponse en vibrations d'un berceau de suspension d'un turbopropulseur sans modifier sensiblement la conception dudit berceau. Présentation de l'invention : A cet effet, l'invention concerne un berceau de suspension d'un turbopropulseur comprenant au moins une bielle de forme allongée et à section transversale constante sur la majorité de sa longueur, fixée dans la structure du berceau par ses extrémités, caractérisé par le fait que la dimension de cette section transversale est allongée dans une des directions perpendiculaires à l'axe d'allongement de la bielle.

Le fait que la section soit allongée, donc d'extension différente suivant deux axes perpendiculaires, libère un degré de liberté dans sa conception par rapport à celles qui ont une section cylindrique. Par exemple, la contrainte de tenue en flambage qui est la plus forte pour la conception de ces bielles varie dans chaque direction perpendiculaire à l'axe d'allongement de la bielle, en fonction des caractéristiques de la liaison de la bielle à ses extrémités. On peut donc moduler le dessin de la section pour gagner en poids et en encombrement par rapport à une bielle à section cylindrique en ne renforçant la section que dans les directions critiques. De préférence, au moins une des extrémités de la bielle est libre en rotation au- tour d'un axe de pivot perpendiculaire à son axe d'allongement, les deux extrémités étant encastrées dans la direction de l'axe de pivot, la dimension de la section transver- sale de ladite bielle étant allongée dans la direction perpendiculaire à celle de la direction de l'axe de pivot. Le fait qu'une extrémité de la bielle soit encastrée dans une direction veut dire que lorsque la bielle est soumise à des efforts de flexion autour du point de liaison dans ladite direction, la direction de la bielle en ce point de liaison est contrainte de rester fixe. La bielle ne peut s'incliner dans cette direction autour de son point de liaison. Par exemple, si l'extrémité de la bielle est agencée pour tourner autour d'une tige qui sert de d'axe de pivot, la présence de cette tige interdit à la bielle de s'incliner dans la direc- tion de l'axe de pivot lorsqu'elle est soumise à une contrainte de flexion parallèle à la tige. On dit alors que la liaison est encastrée dans la direction de l'axe de pivot. Or, l'effort critique pour le flambage dans la direction suivant la direction d'encastrement est quatre fois plus grand, à moment d'inertie donné, que celui dans la direction perpendiculaire, correspondant à une rotation autour de cet axe de pivot. En s'autorisant à allonger la section de la bielle dans la direction perpendiculaire à celle de l'axe pivot, on peut ainsi obtenir une bielle ayant une aire de section moindre que la bielle de section circulaire. Cela présente au moins deux avantages, d'une part le poids lié à l'aire de la section est moindre, d'autre part la dimension de la section de bielle dans la direction de l'axe de pivot, correspondant à la direction d'encastrement, est moins grande que le diamètre de la bielle circulaire équivalente. De plus, les fréquences de résonnance de la bielle changent avec la forme de la section. Il est donc possible, éventuellement en acceptant de s'écarter de l'optimum en poids et en encombrement, de faire varier ces fréquences pour s'écarter des bandes de fréquences correspondant à celles des vibrations caractéristiques du moteur. De manière préférée, le berceau de suspension du moteur utilise au moins une bielle libre en rotation à chacune de ses deux extrémités autour de deux axes de pivot parallèles. Cela apparaît notamment dans le cas d'un treillis hyperstatique où il faut donner un degré de liberté aux différentes liaisons pour supporter les variations de géométrie, dues, par exemple aux variations de température. Avantageusement, le berceau de suspension du moteur est conçu de forme allongée autour de l'axe du turbopropulseur pour envelopper le moteur et l'axe de ladite bielle est orienté principalement dans le sens de celui du turbopropulseur. Le terme « principalement orienté » veut dire que la composante la plus importante d'un vecteur orienté suivant la direction de l'axe de la bielle correspond à celle de la poussée. Avantageusement, les éléments du berceau de suspension se répartissent suivant une surface entourant au moins partiellement le turbopropulseur et par rapport à laquelle chaque axe de pivot de la bielle est orienté transversalement. Cette caractéristique permet de bénéficier pleinement de l'avantage qu'offre l'aplatissement de la sec- tion de la bielle dans cette direction pour faire en sorte que l'encombrement global du berceau soit minimal. De plus, le treillis de bielles laisse un accès important aux différentes parties du moteur, tout en restant à l'intérieur d'une surface : il suit les arceaux et enveloppe au plus près le moteur.

De préférence les bielles utilisées dans le berceau sont creuses ou tubulaires. En effet, à masse égale, il est possible d'avoir une meilleure résistance au flambage avec une bielle creuse qu'avec une bielle pleine. Avantageusement, la section transversale de ladite bielle est sensiblement ellip- tique. En effet, cette forme régulière évite des arêtes qui seraient des points de fai- blesse dans la structure, notamment d'une bielle creuse. L'ellipse se définit par ailleurs facilement à partir des dimensions de la section dans les deux directions d'intérêt pour son dimensionnement structurel et dynamique.

Description des figures : La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques ou avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente le schéma d'un exemple de berceau de suspension vu en perspective de l'avant et du dessus. La figure 2 représente une partie de bielle avec une chape pour laisser passer un axe de pivot à son extrémité. La figure 3 représente la section transversale elliptique d'une bielle selon l'invention. Description détaillé d'un mode de réalisation de l'invention: L'exemple de berceau représenté sur la figure 1 est constitué de trois arceaux 10a, 10b et 10c, ainsi que d'un treillis de bielles. Dans un autre exemple de réalisation le berceau peut comporter au moins deux arceaux, voire quatre. Le berceau forme une sorte de tunnel autour d'un axe L-L sensiblement parallèle à celui du turbopropulseur. Les bielles relient les arceaux entre eux pour assurer la rigidité du berceau.

Dans cette configuration, les bielles sont liées aux arceaux, au moins en cer- taines de leurs extrémités par une liaison pivot. Par exemple, la bielle 1 d'axe X1, qui relie en diagonale sur le côté l'arceau amont 10a à l'arceau intermédiaire 10b, a une liaison pivot avec ces derniers autour d'axes parallèles à la même direction de pivot Z1. La direction Z1 est sensiblement perpendiculaire à l'axe d'allongement X1 de la bielle.

Par ailleurs, la direction Z1 est approximativement perpendiculaire à la surface dont le treillis de bielles et les arceaux forment un maillage autour du turbopropulseur. Des directions d'axes de pivot Z2, pour la bielle 2 et Z3, pour la bielle 3, sont représentées définissant les axes autour desquels pivotent les bielles 2 et 3 selon la même logique.

De préférence, le berceau est conçu avec des bielles allongées ayant une sec- tion transversale constante. Cette section est uniquement modifiée aux extrémités pour conformer la bielle en vue des liaisons avec le reste de la structure. La figure 2 représente un exemple de bielle 1 près d'une de ses extrémités. La chape 11 à son extrémité présente un orifice circulaire permettant de pivoter autour d'un axe fixé à l'arceau et orienté suivant la direction Z. La figure 3 représente la forme de la section de la bielle dans toute la partie où elle est constante, par exemple selon la coupe T-T sur la figure 2. Cette section est elliptique. Son petit axe correspond à la direction Z d'axe de pivot et son grand axe Y est perpendiculaire à cette direction. La largeur de la section selon le petit axe est B et sa largeur selon le grand axe est A. Donc par définition, le rapport d'élongation r= A/B est supérieur à 1. La contrainte critique à prendre en compte pour définir les dimensions de cette section est la résistance aux efforts de flambage exercés sur la bielle montée dans le berceau. Si l'on considère la bielle 1, par exemple, celle-ci doit supporter un effort en compression important du fait de la position en porte-à-faux du berceau. Elle doit donc être dimensionnée en conséquence. Dans un premier mode de réalisation, chaque bielle est dimensionnée avec une section elliptique pour que les inerties de section lui permettent de résister au flambage dans toutes les directions lorsqu'elle est soumise à la contrainte de flambage maximale prise en compte pour la conception du berceau. L'ellipticité permet de compenser les effets des conditions limites sur les marges au flambage selon chacun des axes Y et Z. A priori, cette variante, permet d'utiliser une bielle de masse minimale pour les contraintes qu'elle doit supporter. Du fait de la grande élongation de la bielle, les calculs de résistance des maté- riaux pour la dimensionner peuvent être faits par une approximation de poutre à section constante avec des formules analytiques fonctions des conditions limites. A titre d'exemple, pour une bielle telle que la bielle 1, fixée en pivot à ses deux extrémités, l'effort critique Pcr que peut supporter la bielle en compression selon son axe X peut être approché par la relation : 7E2 E J Pcr (p02 (1) Où: - E est le module d'Young du matériau ; - L est la longueur de la bielle ; - J l'inertie de section dans une direction ; - p un paramètre dépendant des conditions aux limites de liaison. En se référant au cas générique représenté sur la figure 2 pour une bielle encastrée par liaison pivot à ses deux extrémités dans la direction Z, le paramètre p vaut 1 et l'inertie de section à utiliser est le moment d'inerties J' dans la direction Z. Par contre, dans la direction Y, qui correspond à la possibilité de rotation aux extrémités de la bielle autour de l'axe Z, la valeur du paramètre p vaut 2, et l'inertie de section à utiliser est le moment d'inerties Jyy dans la direction Y. L'inertie de section étant une fonction croissante de l'extension de la section dans une direction, la formule (1) justifie le choix de rechercher un dimensionnement de la bielle avec une section elliptique de grand axe dans la direction Y perpendiculaire à l'axe du pivot. Dans une variante de conception, on admet que la bielle puisse être surdimen- sionnée dans la direction Y, ce qui revient à augmenter le rapport d'élongation r = A/B.

Cette variante, compte tenu de la relation entre le moment d'inertie et la géométrie de la section, permet de diminuer la largeur B dans la direction Z. Cela se révèle utile, par exemple, pour respecter des contraintes d'encombrement. Il est à noter que l'on peut tout à fait utiliser cette variante pour une bielle encastrée aux deux extrémités, en vue de respecter des contraintes d'encombrement dans la direction Z.

Dans une troisième variante, on prend en compte des bandes de fréquences in- terdites, tenant compte des vibrations induites par le moteur. Dans ce cas, les dimensions de la bielle sont définies pour obtenir non seulement une marge au flambage positive mais également une marge dynamique positive, i.e. les modes propres de la bielle se situent en dehors des plages fréquentielles interdites par ajustement des para- mètres r, B et e (épaisseur de la bielle).

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Berceau de suspension d'un turbopropulseur comprenant au moins une bielle (1) de forme allongée et à section transversale constante sur la majorité de sa longueur, fixée dans la structure du berceau par ses extrémités, caractérisé par le fait que la dimension de cette section transversale est allongée dans une des directions perpendiculaires (Z1) à l'axe d'allongement (X1) de la bielle.
2. 2. Berceau selon la revendication précédente dans lequel au moins une des extrémités de la bielle (1) est libre en rotation autour d'un axe de pivot (Z1) perpendiculaire à son axe d'allongement (X1), les deux extrémités étant encastrées dans la direction de l'axe de pivot (Z1), la dimension de la section transversale de ladite bielle étant allongée dans la direction (Y) perpendiculaire à celle de la direction de l'axe de pivot.
3. 3. Berceau selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite bielle est libre en rotation à chacune de ses deux extrémités autour de deux axes de pivot parallèles.
4. 4. Berceau selon les revendications 2 ou 3 dont les éléments se répartissent suivant une surface entourant au moins partiellement le turbopropulseur et par rapport à laquelle chaque axe de pivot de la bielle est orienté transversalement.
5. 5. Berceau selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel l'axe d'allongement de la bielle est orienté principalement dans le sens de celui du turbopropulseur.
6. 6. Berceau selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite bielle est creuse.
7. 7. Berceau de suspension d'un turbopropulseur selon l'une des revendications précé- dentes dans lequel la section transversale de ladite bielle est sensiblement elliptique.