FR3009710A1 - Rotor pour helice de turbomachine avec dispositif de mise en drapeau des pales de l'helice - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un rotor pour hélice de turbomoteur, à pales à calage variable, comprenant des pieds de pale mobiles en rotation dans une structure supportant les pales et un dispositif de mise en drapeau des pales. Le rotor est caractérisé par le fait que ledit dispositif (30) de mise en drapeau comprend au moins une masselotte (40) solidaire d'une manivelle (39) reliée par un train d'engrenages à au moins un desdits pieds de pale.

Description

Domaine technique La présente invention concerne le domaine des turbomachines aéronautiques et plus particulièrement celui des turbomoteurs à hélices non carénées, dits "open- rotor" ou à hélice rapides, et celui des dispositifs de commande de l'orientation des pales de ces hélices. Etat de l'art La technologie des moteurs aéronautiques évolue rapidement et une des voies explorées pour améliorer la consommation spécifique des moteurs d'avions civils est actuellement constituée par la mise au point de moteurs open-rotor. De tels moteurs, comme celui décrit dans la demande de brevet FR 2 941 493 de la société demanderesse, comportent un générateur de gaz de turbomoteur classique, dont un ou plusieurs étages de turbine entraînent une soufflante non carénée s'étendant à l'extérieur du moteur. Pour des raisons de niveau de poussée à atteindre et de réduction du bruit généré par les pales, le moteur comporte généralement deux hélices non carénées contrarotatives, c'est-à-dire qui tournent en sens inverses, et qui peuvent être situées à l'avant ou à l'arrière du moteur suivant la configuration choisie ; par exemple pour les éloigner le plus possible de la cabine des passagers. La configuration générale d'un moteur open-rotor est donnée par la figure 1.

Comme dans le cas des turbopropulseurs classiques les pales des hélices des open-rotors sont à calage variable, c'est à dire que le pas de ces hélices peut être modifié au cours du vol pour faire évoluer la poussée du moteur et optimiser le rendement de l'hélice en fonction de la vitesse de l'aéronef. Des dispositifs multiples ont été imaginés pour faire varier le calage des pales, qui comportent généralement une mise en rotation de l'aube autour de son axe principal par l'intermédiaire de pignons coniques, situés sous le pied de l'aube. Ces derniers coopèrent avec des pignons coniques d'un système de commande. En utilisation normale, lors des phases de vol, le calage d'une hélice évolue entre deux bornes extrêmes correspondant à une position de petit pas à faible vitesse d'avancement, de l'ordre de 30° par rapport au plan de rotation des hélices, et une position de grand pas à grande vitesse, qui est de l'ordre de 65° par rapport à ce même plan de rotation des hélices. La position de drapeau correspond à un calage supérieur à celui du grand pas, et égal à environ 90°.

Les calages dans ces conditions normales d'utilisation sont, par convention, dits positifs. Une des contraintes des systèmes de commande du calage des pales des hélices est de devoir amener celles-ci dans la position dite "en drapeau" dans le cas d'une défaillance de ce système de calage. La position en drapeau consiste à faire tourner les pales de l'hélice jusqu'à ce que leur corde s'aligne sensiblement dans le lit du vent, réduisant ainsi la traînée qu'elles génèrent et, par suite, le déséquilibre en lacet produit sur l'avion. On cherchera également à réduire la vitesse de rotation résiduelle des hélices.

La position en drapeau doit correspondre à une position d'équilibre prise automatiquement par les pales de l'hélice lorsque le système de commande du calage ne transmet plus de couple.

Classiquement le rappel en drapeau est assuré par des contrepoids dits directs dont l'inertie, très supérieure à celle des pales doit garantir le retour de ces dernières dans la position de drapeau définie au préalable. Selon une autre solution décrite dans la demande de brevet W02012/066240 30 déposée par la demanderesse, des masselottes formant contrepoids sont attachées aux pignons coniques du système de commande du pas des pales et placées en porte-à-faux par rapport à eux. Le système est intégré dans les espaces situés entre les pales pour un encombrement axial et/ou radial minimal. En fonctionnement normal elles sont maintenues en position par le système de commande. En cas de défaillance de ce système, l'action de la force centrifuge due à la rotation de l'hélice les entraîne vers une position de repos qui correspond à la position de drapeau de la pale. Selon le mode de réalisation mentionné dans cette demande, le pignon conique de pied de pale donne lieu à un rapport de réduction d'environ de 2 entre l'angle de calage du contrepoids et l'angle de calage de la pale.

Ces deux modes de réalisation présentent chacun un inconvénient. La solution avec un contrepoids directement placé sur l'axe de rotation est pénalisante en termes de masse car elle nécessite l'emploi d'une masselotte lourde dont l'effet n'est pas démultiplié. La solution avec masselotte engrenant directement sur le pignon conique de commande de rotation de la pale permet de réduire la masse employée grâce à la démultiplication mais la liberté de choix reste encore limitée en raison des contraintes liées à l'encombrement du dispositif par rapport à l'espace disponible. Ces contraintes peuvent conduire à l'empêchement de l'intégration dans le plan de l'hélice.

Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients.

L'invention a ainsi pour premier objectif de réduire la masse employée dans le dispositif de mise en drapeau des pales d'une hélice de turbomoteur. L'invention a également pour objectif un rotor comportant un dispositif de mise en drapeau ce dernier offrant une marge de définition de ses caractéristiques sans être limité par l'espace disponible sur le rotor.

L'invention a encore pour objectif un rotor avec un dispositif de mise en drapeau sur lequel les vibrations et les oscillations de la machine ont un impact réduit. On parvient à ces objectifs avec un rotor pour hélice de turbomoteur, à pales à calage variable, comprenant des pieds de pale mobiles en rotation dans une structure supportant les pales et un dispositif de mise en drapeau des pales caractérisé par le fait que ledit dispositif de mise en drapeau comprend au moins une masselotte solidaire d'une manivelle reliée par un train d'engrenages à au moins un desdits pieds de pale.

Le fait d'utiliser un train d'engrenages entre la masselotte montée sur une manivelle permet effectivement une grande adaptabilité aux contraintes géométriques du rotor notamment avec un choix plus large que dans l'art antérieur de la démultiplication de la transmission des efforts entre la masselotte et le pied des pales. Ce choix autorise une réduction importante de la masse du dispositif. En particulier, la masselotte est disposée en dehors du plan de rotation du rotor ; de cette façon le dispositif n'est pas contraint par l'espace disponible pour son 20 débattement. De préférence la manivelle est entraînée en rotation par la masselotte autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation du rotor. On parvient en outre à réduire l'impact des vibrations avec un train d'engrenages comprenant un moyen de rattrapage de jeu. 25 Selon un premier mode de réalisation le moyen de rattrapage de jeu comprend une roue avec des dents comprenant des éléments souples assurant le contact continu inter-dents.

Selon un autre mode de réalisation le moyen de rattrapage de jeu comprend un double engrenage à rattrapage de jeu. Notamment le double engrenage à rattrapage de jeu comprend deux pignons reliés par une tige.

Selon une mise en oeuvre avantageuse, le rotor comprenant une roue dentée reliée à un pied de pale, le double engrenage à rattrapage de jeu est dans un même plan que la roue dentée reliée au pied de pale, ledit plan étant perpendiculaire au pied de pale.

Conformément à une autre caractéristique permettant un assemblage compact du dispositif de mise en drapeau, le double engrenage à rattrapage de jeu est solidaire d'un premier pignon à contact oblique coopérant avec un pignon à contact oblique relié à la manivelle.

Plus particulièrement, le pignon à contact oblique relié à la manivelle est solidaire d'un pignon coaxial coopérant avec la manivelle. Le dispositif de mise en drapeau peut être associé à un ou plusieurs pieds de pale ; de préférence le dispositif de mise en drapeau est associé à chacun des pieds de pale. Enfin l'invention porte également sur une hélice comprenant le rotor présentant les caractéristiques ci-dessus et les pales disposées dans les pieds de pale.

Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un turbomoteur à hélice rapide ; - la figure 2 est une vue partielle, en perspective, de l'anneau de rotor avec le dispositif de mise en drapeau selon l'invention ; - la figure 3 est une vue de côté du dispositif représenté sur la figure 2 ; - la figure 4 est une vue de dessus du dispositif représenté sur la figure 2 ; - la figure 5 représente un engrenage double à rattrapage de jeu ; - la figure 6 représente une variante d'engrenage double à rattrapage de 10 jeu. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention En se référant à la figure 1, on voit un turbomoteur à hélices rapides 1, 15 comprenant, d'une part, un moteur à turbine à gaz formant un générateur de gaz comprenant, entre autres composants, un compresseur 2, une chambre de combustion 3 et une turbine 4 qui entraîne le compresseur 2, et, d'autre part, une turbine libre 5 située en aval de la turbine liée 4, qui entraîne deux séries de pales des hélices contrarotatives 6. Les hélices sont positionnées à l'extérieur du 20 carter 7 du générateur de gaz et leurs pales sont tenues par un pied d'aube 8 mobile en rotation autour d'un axe radial par rapport à celui de la turbomachine 1. Cet axe passe par le centre du pied de l'aube et constitue l'axe principal de la pale. La rotation de la pale autour de son axe est assurée par un actuateur, ayant par exemple la forme d'une tringle 9, qui agit sur un couple de pignons 25 coniques dont l'un est fixé sur l'aube, en entourant le pied de l'aube 8. Un système de régulation 10 commande, par l'intermédiaire des tringles 9, la position angulaire des pales de chacune des hélices 6 et s'assure de leur mise en rotation synchronisée. 30 L'invention ne se limite pas à une application sur ce type de moteur. Celui-ci est décrit à titre d'exemple illustratif.

Les figures 2, 3 et 4 représentent selon trois directions différentes, une vue partielle d'un rotor pour une hélice d'un moteur tel que décrit ci-dessus.

On distingue un anneau 20, d'axe correspondant à celui du moteur, présentant des ouvertures 21 radiales par rapport à son axe. Un exemple de réalisation de cet anneau est décrit dans le brevet FR 2953487 au nom de la demanderesse. Il est de forme polygonale avec des éléments d'anneau structuraux, amont 20a et aval 20b, reliés par des plateformes 20c. Les ouvertures 21 servent de logements à des pieds de pales qui n'ont pas été représentés à l'exception de la pièce 22 qui constitue l'alvéole de montage d'une pale. Cette pièce présente selon cet exemple une rainure axiale dans laquelle est reçue l'extrémité radiale intérieure de la pale. La partie du pied de pale logée dans l'ouverture 21 n'a pas été représentée non plus pour plus de clarté. Ce pied est monté de manière à pouvoir tourner autour de l'axe de l'ouverture 21. Des roulements appropriés sont prévus à cet effet. Ils ne sont pas représentés non plus. Le dispositif de mise en drapeau 30 selon l'invention comprend une roue dentée 31 solidaire du pied de pale ; ici il est solidaire de la pièce 22. La roue est dentée sur un secteur d'angle seulement correspondant au débattement autorisé du pied de pale en rotation. La roue dentée 31 est perpendiculaire au pied de pale et à son axe de rotation. Un double engrenage à rattrapage de jeu 33 vient engrener sur la roue dentée 31. Le double engrenage 33 est formé de deux pignons dentés 33a et 33b placés l'un contre l'autre et reliés en rotation par un moyen élastique. Les dents des pignons sont en léger décalage angulaire de l'un par rapport à l'autre. Les dents du double engrenage 33 sont de cette façon en contact permanent au moins par les dents de l'un des pignons avec les dents de la roue dentée 31. Par ce rattrapage de jeu, on évite qu'il ne se produise des vibrations sur les pignons de l'engrenage. Les figures 5 et 6 montrent deux modes de réalisation non limitatifs d'un tel engrenage double avec rattrapage de jeu. Sur la figure 5, les deux pignons dentés 33a et 33b, représentés schématiquement par des disques, sont reliés par des ressorts 33c travaillant en compression. Sur la figure 6, les deux pignons dentés sont reliés par des pièces 33c' en forme de plots travaillant en flexion. Alternativement les ressorts 33c peuvent être remplacés par des éléments souples et déformables venant absorber les vibrations. Les deux pignons sont dans le même plan de rotation que celui de la roue dentée 31 ou bien dans un plan parallèle à celui-ci. Ils sont supportés par un arbre 34 parallèle à l'axe de rotation du pied d'aube. L'un des pignons 33a ou 33b du double engrenage est solidaire de l'arbre 34, l'autre est mobile en rotation par rapport à celui-ci dans la limite définie par les ressorts 33c ou équivalents. Sur l'axe 34, à distance des pignons 33, est monté un premier pignon conique 35 qui engrène sur un second pignon conique 36 d'axe perpendiculaire à l'arbre 34.

Sur ce même axe est montée une roue dentée 37 sur laquelle vient engrener l'axe d'une manivelle 39. La masselotte 40 est solidaire de la manivelle 39 en étant excentré par rapport à l'axe de rotation de la manivelle. Lorsque la mise en drapeau est déclenchée, notamment par une défaillance de la chaine de commande du pas des pales, la force centrifuge fait basculer la masselotte 40 depuis une première position où le dispositif est inactif vers une seconde position et la manivelle 39 est entraînée en rotation autour de son axe. Il s'ensuit un mouvement de rotation de la roue dentée 37 et par voie de conséquence des pignons coniques 35 et 36, du double engrenage 33 et de la roue dentée 31, autour de leur axe respectif. Le mouvement de la masselotte est ainsi transmis au pied de pale associé par le train d'engrenages formé par l'ensemble des pignons et roues dentées, avec un rapport de transmission de l'effort, approprié.

En résumé, la solution de l'invention permet une meilleure tenue à la force centrifuge par la diminution des masses résultant de la chaine cinématique et de la démultiplication. L'intégration des contrepoids à engrenage est assurée par l'installation de ceux-ci en dehors du plan de rotation de l'hélice qui entraîne un faible impact de la proximité des pales ou de la nacelle. L'impact des vibrations est réduit par la présence d'un étage à rattrapage de jeu dans le train d'engrenage. Cette solution permet le bridage symétrique de part et d'autre du centre de gravité dans le but de contrer le déport de l'installation du dispositif.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Rotor pour hélice à pales à calage variable de turbomoteur comprenant des pieds de pale mobiles en rotation dans une structure supportant les pales et un dispositif de mise en drapeau des pales caractérisé par le fait que ledit dispositif (30) de mise en drapeau comprend au moins une masselotte (40) solidaire d'une manivelle (39) reliée par un train d'engrenages à au moins un desdits pieds de pale.
2. 2. Rotor, selon la revendication 1, dont la masselotte (40) est disposée en dehors du plan de rotation du rotor.
3. 3. Rotor, selon l'une des revendications 1 ou 2, dont la manivelle (39) est entraînée en rotation par la masselotte autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation du rotor.
4. 4. Rotor, selon l'une des revendications 1 à 3, dont le train d'engrenages comprend au moins un moyen de rattrapage de jeu.
5. 5. Rotor selon la revendication précédente dont le moyen de rattrapage de jeu comprend une roue avec des dents comprenant des éléments souples assurant le contact continu inter-dents.
6. 6. Rotor selon l'une des revendications 4 ou 5 dont le moyen de rattrapage de jeu comprend un double engrenage (33) à rattrapage de jeu avec deux pignons (33a, 33b).
7. 7. Rotor selon la revendication précédente, comprenant une roue dentée (31) reliée au pied de pale, dont le double engrenage (33) à rattrapage de jeu est dans un plan parallèle à celui de la roue dentée reliée au pied de pale, ledit plan étant perpendiculaire au pied de pale.
8. 8. Rotor, selon l'une des revendications 6 et 7, dont le double engrenage (33) à rattrapage de jeu est solidaire d'un premier pignon (35) à contact oblique coopérant avec un pignon (36) à contact oblique relié à la manivelle (39).
9. 9. Rotor selon la revendication précédente dont le pignon (36) à contact oblique relié à la manivelle est solidaire d'un pignon (37) coaxial coopérant avec la manivelle (39).
10. 10. Rotor selon l'une des revendications précédentes comprenant un 5 dispositif de mise en drapeau pour chacun des pieds de pale.
11. 11. Hélice comprenant le rotor selon l'une des revendications précédentes et les pales disposées dans les pieds de pale.