FR3005686A1 - Pivot pour pale d'helice de soufflante non carenee - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un pivot (107) pour pale d'hélice d'une soufflante non carénée (100) comportant un premier bras (110) et un deuxième bras (111) s'étendant de part et d'autre d'un axe formant l'axe de rotation dudit pivot (107), ledit pivot étant caractérisé en ce qu'il est formé en matériau composite et en ce qu'il comporte: une première masselotte métallique (112) et une deuxième masselotte métallique (113) ; des moyens de liaisons aptes à solidariser ladite première masselotte métallique (112) et ladite deuxième masselotte métallique (113) aux extrémités du premier bras (110) et du deuxième bras (111) du pivot (107) en matériau composite.

Description

PIVOT POUR PALE D'HELICE DE SOUFFLANTE NON CARENEE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des pivots pour pale d'hélice. La présente invention concerne un pivot pour pale d'hélice d'une soufflante non carénée, appelée usuellement « open rotor » en langue anglaise. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Le moteur à soufflante non carénée (open rotor) est un concept de moteur qui présente un grand intérêt de par sa grande efficacité thermopropulsive. Ce type de moteur est principalement composé d'un générateur de gaz et d'un propulseur équipé de deux hélices contrarotatives. Chaque hélice est formée par plusieurs pales reliées solidairement à des pivots de pales permettant de transmettre les mouvements de la turbine mais également d'assurer le guidage, l'orientation de la pale ainsi que son maintien sous l'effet de la force centrifuge. Il est connu que les pales d'hélices contrarotatives, ayant une taille et une masse importantes et prépondérantes, soient généralement réalisées en matériaux composites.

II est également connu que les pivots de pale d'hélice permettent également de réaliser une fonction de rappel en drapeau de la pale en cas de défaillance du système d'orientation ou de changement de pas de la pale. La fonction de rappel en drapeau permet ainsi de minimiser la traînée engendrée par une mauvaise orientation des pales lors d'un vol et de réduire les vitesses de rotation ainsi que les éventuels balourds. Cette fonction est généralement assurée par l'intégration de masselottes excentrées par rapport à l'axe de rotation du pivot. Ces masselottes permettent ainsi le rappel de la pale en position drapeau par un rappel en inertie dû à la rotation libre du système.

En outre, dans le cas d'une architecture de type « pousseur », avec une soufflante située à l'arrière du moteur, un pivot de pale d'hélice se trouve dans un environnement chaud, dû à la proximité des gaz d'échappement du moteur. Par conséquent, les pivots sont traditionnellement réalisés en métal et plus particulièrement en acier ou en titane de manière à résister à leur environnement. Or en raison du grand nombre de pales et de pivots sur une soufflante non carénée, les pivots métalliques embarqués représentent à eux seuls quelques centaines de kilogrammes. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION Dans ce contexte, l'invention vise à fournir un pivot de pale d'hélice d'une soufflante non carénée permettant de réduire significativement la masse totale du doublet d'hélices contrarotatives d'une soufflante non carénée tout en gardant l'aspect fonctionnel connu de tels pivots, et notamment la fonction de rappel en drapeau qui est une fonction importante en terme de sécurité.

A cette fin, l'invention concerne un pivot pour pale d'hélice d'une soufflante non carénée comportant un premier bras et un deuxième bras s'étendant de part et d'autre d'un axe formant l'axe de rotation dudit pivot, ledit pivot étant caractérisé en ce qu'il est formé en matériau composite et en ce qu'il comporte : - une première masselotte métallique et une deuxième masselotte métallique ; - des moyens de liaison aptes à solidariser ladite première masselotte métallique et ladite deuxième masselotte métallique aux extrémités respectives du premier bras et du deuxième bras du pivot en matériau composite. Ainsi, les pivots en matériau composite selon l'invention permettent de réduire significativement la masse totale d'une telle soufflante non carénée par l'allégement de la masse générée par l'ensemble des pivots de pale composant une telle soufflante. Les pivots selon l'invention présentent également des moyens de liaison particuliers et adaptés pour permettre l'assemblage des masselottes métalliques aux extrémités des bras composites.

Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le pivot composite selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - le matériau composite est un matériau composite à base d'une matrice organique ; - les moyens de liaison sont formés par un insert métallique apte à former l'interface de liaison entre lesdits bras et lesdites masselottes ; - ledit insert métallique est solidarisé au bras par vissage ; - ledit insert métallique est intégré dans le corps du bras en matériau composite ; - ladite masselotte est solidaire dudit insert métallique par une liaison tenon/mortaise ; - ladite masselotte est solidarisée par des moyens de vissage coopérant avec au moins une partie filetée dudit insert métallique intégré dans le corps du bras ; - ledit insert métallique présente des moyens d'accroche en forme de picot au niveau de son interface avec ledit bras composite ; - la première masselotte et/ou la deuxième masselotte comportent un tenon, le premier bras et/ou ledit deuxième bras comportent une mortaise, coopérant ensemble pour former lesdits moyens de liaison ; - lesdites masselottes métalliques sont formées par deux demi-coquilles aptes à recouvrir l'extrémité de chacun desdits bras dudit pivot et lesdits moyens de liaison sont formés par des éléments à serrage contrôlé traversant à la fois lesdites deux demi-coquilles et ledit bras ; - le matériau composite au niveau de l'extrémité dudit bras composite, formant l'interface de contact avec ledit insert métallique ou ladite masselotte, est de nature différente du matériau composite de l'ensemble dudit pivot ; - l'ensemble dudit pivot est réalisé à base de fibres de carbone et l'extrémité dudit bras à base de fibres de verre afin d'améliorer l'isolation thermique, électrique et chimique.

L'invention a également pour objet une soufflante non carénée caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un pivot selon l'invention. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un pivot pour pale d'hélice d'une soufflante non carénée selon l'invention caractérisé en ce qu'il comporte : une première étape de préfabrication du pivot composite par drapage de fibres et injection de résine ; une deuxième étape d'assemblage desdites masselottes via lesdits moyens de liaison au niveau desdits bras dudit pivot ; une troisième étape de consolidation de l'assemblage desdites masselottes par drapage d'un pli de surface autour de l'ensemble de la liaison bras composite/masselotte et injection de résine. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. - La figure 1 est une représentation schématique d'une soufflante non carénée ; - La figure 2 est une vue en perspective d'un pivot pour pale d'hélice selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 3a est une vue schématique en coupe, suivant un plan Oxz, d'un premier exemple de réalisation de l'extrémité d'un bras du pivot illustré à la figure 2 ; - La figure 3b est une vue schématique en coupe, suivant un plan Oxy, d'un premier exemple de réalisation de l'extrémité du bras du pivot illustré à la figure 2 ; - La figure 4a illustre une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxz, de l'extrémité du bras d'un pivot selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 4b illustre une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxy, de l'extrémité du bras du pivot selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 5a est une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxz, de l'extrémité d'un bras d'un pivot selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 5b est une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxy, de l'extrémité du bras du pivot selon le troisième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 6a est une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxz, de l'extrémité d'un bras d'un pivot selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 6b est une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxy, de l'extrémité du bras du pivot selon le quatrième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 7a est une première vue schématique en perspective de l'extrémité d'un bras d'un pivot selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 7b est une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxz, de l'extrémité du bras du pivot selon le cinquième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 8 est une vue schématique en coupe, suivant le plan Oxz, de l'extrémité d'un bras d'un pivot selon une variante de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN PREMIER MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Les figures 1 et 2 sont décrites conjointement. La figure 1 représente 30 schématiquement une soufflante non carénée 100. La figure 2 est une vue en perspective d'un pivot 107 selon l'invention pour pale d'hélice contrarotative de la soufflante non carénée 100 illustrée à la figure 1. La soufflante non carénée 100 comporte un turboréacteur 102 et un turbopropulseur 105. Le turbopropulseur 105 est équipé d'une première hélice 103 et d'une deuxième hélice 104, la première hélice 103 et la deuxième hélice 104 formant un doublet contrarotatif. Chaque hélice 103, 104 comporte au moins une pale 106 associée à un pivot 107 (illustré à la figure 2). Le pivot 107 comporte : - un pied 108 en partie inférieure du pivot ; - un moyen de liaison 109, en partie supérieure du pivot, permettant de maintenir en position la pale 106. De part et d'autre du moyen de liaison 109, le pivot 107 présente également un premier bras 110, dit « bras extrados » et un deuxième bras 111, dit « bras intrados ». Les bras s'étendent de part et d'autre de l'axe de rotation du pivot 107.

Le pivot 107 est réalisé en matériau composite et avantageusement au moyen de fibres de carbone et d'une résine à matrice organique à faible densité de manière à résister aux fortes températures et obtenir un ratio résistance/poids important. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, une masselotte extrados 112 est reliée mécaniquement à l'extrémité du bras extrados 110 et une masselotte intrados 113 est reliée mécaniquement à l'extrémité du bras intrados 111 via un premier moyen de liaison. Les masselottes sont réalisées en tungstène. Les figures 3a et 3b illustrent de manière détaillée l'extrémité du bras extrados 110 et plus particulièrement le premier moyen de liaison permettant de solidariser, selon le premier mode de réalisation, la masselotte extrados 112 avec le bras extrados 110 du pivot 107. Selon ce premier mode de réalisation de l'invention, le bras extrados 110 et la masselotte extrados associée 112 sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'un insert métallique 122. L'insert métallique 122 présente un tenon trapézoïdal 124 apte à coopérer avec une mortaise 125 agencée au niveau de la masselotte 112 formant ainsi une liaison en forme de queue d'aronde.

L'insert métallique 122 est fixé au bras extrados 110 du pivot 107 par boulonnage grâce à des éléments de fixation 123 coopérant avec des inserts filetés 126 insérés dans le bras extrados 110 lors de la fabrication de la pièce composite. Avantageusement, les inserts filetés 126 sont positionnés pendant la réalisation du pivot composite 107 et avant l'injection de la résine. Selon une alternative du premier mode de réalisation, les inserts filetés 126 sont positionnés dans le bras extrados 110 lorsque celui-ci est déjà réticulé par des moyens d'usinage classique. Toutes les caractéristiques décrites sont bien sûr applicables au deuxième bras du pivot 107, c'est-à-dire au bras intrados 111, pour réaliser la fixation de la masselotte intrados 113. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN DEUXIEME MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Les figures 4a et 4b illustrent de manière détaillée un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel une masselotte extrados 212 est reliée mécaniquement à l'extrémité d'un bras extrados 210 via un deuxième moyen de liaison. Selon ce deuxième mode de réalisation de l'invention, le bras extrados 210 et la masselotte métallique associée 212 sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'un insert métallique 222. L'insert métallique 222 est directement intégré lors de la réalisation du bras extrados 210. Le bras extrados 210 et l'insert métallique 222 sont ainsi rendus solidaires l'un de l'autre lors de la réticulation de la résine pendant le procédé de fabrication du pivot en matériau composite. La masselotte métallique 212 est ensuite reliée à l'ensemble formé par le bras extrados 210 et l'insert métallique 222 par vissage grâce à des éléments de fixation 223 de type vis coopérant avec des parties filetées 226 de l'insert métallique 222 ou encore par des inserts filetés également insérés dans le bras extrados 210 lors de la fabrication de la pièce composite.

Toutes les caractéristiques décrites ci-dessus sont bien sûr applicables au deuxième bras du pivot, c'est-à-dire au bras intrados, pour réaliser la fixation de la masselotte intrados. DESCRIPTION D'UN TROISIEME MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Les figures 5a et 5b illustrent de manière détaillée un troisième mode de réalisation de l'invention dans lequel une masselotte extrados 312 est reliée mécaniquement à l'extrémité d'un bras extrados 310 via un troisième moyen de liaison. Selon ce troisième mode de réalisation de l'invention, la masselotte extrados 312 10 comporte un tenon trapézoïdal 330 apte à coopérer avec une mortaise 331 agencée au niveau de l'extrémité du bras extrados 310 formant ainsi une liaison en forme de queue d'aronde. Avantageusement, la masselotte extrados 312 et le bras extrados 310 sont pré-positionnés dans un moule avant l'injection de la résine et solidarisés lors de la 15 réticulation de la résine. La forme en queue d'aronde de la liaison permet de résister aux contraintes mécaniques notamment dues à la force centrifuge lors de la rotation des pales et de maintenir la masselotte 312 en position. Toutes les caractéristiques décrites ci-dessus sont bien sûr applicables au deuxième bras du pivot, c'est-à-dire au bras intrados, pour réaliser la fixation de la 20 masselotte intrados. DESCRIPTION D'UN QUATRIEME MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Les figures 6a et 6b illustrent de manière détaillée un quatrième mode de réalisation de l'invention dans lequel une masselotte extrados 412 est reliée mécaniquement à l'extrémité d'un bras extrados 410 via un quatrième moyen de 25 liaison. Selon ce quatrième mode de réalisation de l'invention, la masselotte extrados 412 et le bras extrados 410 sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'un insert métallique 422. L'insert métallique 422 comporte une première extrémité 422-1 et une deuxième extrémité 424 en forme de tenon trapézoïdal. La première extrémité 422-1 de l'insert métallique 422 présente un profil concave, visible à la figure 6b, au niveau de ses flancs latéraux. Avantageusement, la première extrémité 422-1 de l'insert métallique 422 est intégrée dans le bras extrados 410 lors du procédé de fabrication du pivot composite de manière à ce que l'insert métallique 422 soit solidarisé au bras 410 lors de la réticulation de la résine. La masselotte extrados 412 présente, de manière identique à la masselotte 112 du premier mode de réalisation illustrée à la figure 3a, une cavité en forme de mortaise 425 apte à coopérer avec l'extrémité 422-1 de l'insert métallique 422 de manière à former une liaison en queue d'aronde. De manière identique aux autres modes de réalisation, toutes les caractéristiques décrites ci-dessus sont bien sûr applicables au deuxième bras du pivot, c'est-à-dire au bras intrados, pour réaliser la fixation de la masselotte intrados. DESCRIPTION D'UN CINQUIEME MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Les figures 7a et 7b illustrent de manière détaillée un cinquième mode de réalisation de l'invention dans lequel une masselotte extrados 512 est reliée mécaniquement à l'extrémité d'un bras extrados 510 via un cinquième moyen de liaison. Selon ce cinquième mode de réalisation, la masselotte extrados 512 est formée en deux parties par une première demi-coquille 560 et une deuxième demi-coquille 561. La première demi-coquille 560 et la deuxième demi-coquille 561 entourent l'extrémité du bras extrados 510. La première demi-coquille 560 et la deuxième demi-coquille 561 sont assemblées par l'intermédiaire d'éléments de fixation 523 traversant le bras extrados 510, de type vis coopérant avec des écrous filetés 520 ou encore par l'intermédiaire de rivets. Toutes les caractéristiques décrites ci-dessus sont bien sûr applicables au deuxième bras du pivot, c'est-à-dire au bras intrados, pour réaliser la fixation de la masselotte intrados.

Selon une variante de réalisation des modes décrits précédemment, illustrée à la figure 8, les inserts métalliques 122, 222, 422 solidaires du bras peuvent également présenter des picots usinés 440 de manière à améliorer l'ancrage de l'insert métallique dans un bras composite, et notamment lors des étapes de positionnement dans le moule d'injection et lors de l'injection de résine. Cette première variante est compatible avec tout mode de réalisation impliquant un insert métallique et un bras composite décrit précédemment et est illustrée plus particulièrement à la figure 8 avec l'insert métallique 422 décrit aux figures 6a et 6b.

Quel que soit le mode de réalisation décrit, un pli en surface peut avantageusement être ajouté autour de l'ensemble formé par un bras composite relié à une masselotte métallique afin de contribuer à améliorer la tenue de cet ensemble. L'ajout de ce pli de surface supplémentaire peut indifféremment être réalisé lors de la réalisation du pivot composite ou lors d'une étape supplémentaire nécessitant un deuxième outillage pour le placement du pli et la réticulation de la résine après assemblage et solidarisation du bras et de la masselotte. Quel que soit le mode de réalisation décrit, il peut être également avantageux d'ajouter un pli présentant des fibres de nature différente des fibres utilisées pour la réalisation du reste du bras composite (par exemple un pli en fibre de verre) au niveau de l'interface de liaison entre le bras composite et la masselotte métallique, ou encore au niveau de l'interface entre le bras composite et un insert métallique. L'utilisation d'un ou plusieurs plis de fibres de nature différente permet avantageusement de s'affranchir des problèmes d'incompatibilité physico- chimique des matériaux. Le pivot selon l'invention est réalisé classiquement par des procédés de fabrication de type injection RTM (pour Resin Transfer Molding).