FR3042008A1 - Ensemble de propulsion avec soufflante d'axe decale et reducteur de vitesse sur l'arbre d'entrainement de la soufflante - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un ensemble de propulsion d'un aéronef comprenant une turbine (15), au moins une soufflante (10) entraînée par un arbre (11) d'axe décalé par rapport à l'axe de la turbine et un mécanisme de transmission de puissance entre la turbine et la soufflante, caractérisé par le fait que le mécanisme de transmission de puissance comprend un réducteur (30, 30') de vitesse sur l'arbre (11) d'entrainement de la soufflante.

Description

Ensemble de propulsion avec soufflante d’axe décalé et réducteur de vitesse sur l’arbre d’entraînement de la soufflante.

Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine aéronautique et porte sur un ensemble propulsif comportant au moins deux soufflantes entraînées par un même moteur. Elle vise plus particulièrement un système de transfert de puissance entre le moteur et les soufflantes qu’il entraîne.

Etat de l’art

Le présent déposant a entrepris des travaux portant sur une architecture d’ensemble propulsif à deux soufflantes distribuées. Ceux-ci ont pour objectifs de rechercher une optimisation du rendement propulsif grâce à un fort taux de dilution, tout en conservant une garde au sol acceptable et des soufflantes de taille réduite, ayant un régime différent de celui de la turbine.

Un schéma de principe d’un tel ensemble 1 est représenté sur les figures 1 et 2. Un générateur de gaz 3, comprend de façon classique un ensemble de compression alimentant en air une chambre de combustion annulaire ; les gaz issus de la chambre entraînent une ou plusieurs turbines reliées mécaniquement au compresseur et ici une turbine de puissance 5. Cette dernière est solidaire d’un arbre de puissance 6 coaxial au générateur de gaz 3. Cet arbre de puissance 6 entraîne par le biais d’engrenages coniques appropriés deux arbres radiaux intermédiaires 8 et 8’ disposés en particulier à angle droit par rapport à l’axe de l’arbre de puissance 6. Les arbres radiaux intermédiaires entraînent chacun un arbre de soufflante 9, 9’ déporté, c'est-à-dire d’axe décalé par rapport à l’axe du générateur de gaz. La transmission de puissance est effectuée par le moyen de premiers engrenages 2 et 2’ à pignons coniques entre l’arbre 6 et les arbres radiaux 8 et 8’ et de seconds engrenages 4 et 4’ à pignons coniques entre les arbres radiaux 8, 8’ et les arbres de soufflantes 9 et 9’. Les arbres des soufflantes 9 et 9’ entraînent chacun une soufflante 10, 10’ d’axe déporté à celui du moteur. Un tel agencement permet d’atteindre les objectifs visés ci-dessus.

Selon l’art antérieur connu du déposant, la solution au problème de transmission entre la turbine libre et les arbres de soufflantes consiste à utiliser, pour chacune des soufflantes, des engrenages coniques simples à 45° : Un premier engrenage avec deux roues de même diamètre l’une sur l’arbre de la turbine libre et l’autre sur l’arbre radial et un second engrenage conique à 45° avec deux roues de diamètres différents reliant l’arbre radial à celui de la soufflante. A l’inverse, le premier engrenage peut avoir deux roues de diamètres différents et le second engrenage peut avoir deux roues de même diamètre.

Le pignon d’entrée du premier engrenage 2 de l’ensemble représenté sur la figure 2 est dimensionné de manière à tenir les contraintes relatives au couple de turbine, ce qui donne un diamètre primitif minimal incompressible pour celui-ci, et fixe donc ses dimensions. Le rapport de réduction du renvoi d’angle s’obtient alors en jouant sur la taille de la roue fixée sur l’arbre radial. Pour des rapports de réduction élevés, notamment supérieurs à 2.5, on constate que la roue en prise conique directe avec le pignon central pose alors un problème d’encombrement à cause du diamètre important de celle-ci.

En raison du faible espace disponible, il se pose le problème d’intégrer une roue de grand diamètre à distance de l’axe moteur, à l’intérieur du carter d’échappement du générateur de gaz où doit être disposé l’engrenage 2 de renvoi d’angle.

Il faut en outre tenir compte des phénomènes dynamiques parasites que pourraient engendrer deux roues de grand diamètre en rotation selon un axe perpendiculaire à l’axe moteur et à distance de l’axe moteur.

De ce point de vue, il serait approprié d’avoir un renvoi d’angle interne au générateur de gaz dont le rapport de réduction serait proche de 1, voire inférieur à 1, afin de limiter au maximum les dimensions des différentes roues dentées et de faciliter leur intégration et de relaxer les contraintes de torsion vues par les arbres radiaux.

La présente invention a pour objectif de remédier à ce problème.

En particulier, elle a pour objectif un agencement qui permet de réduire l’encombrement de la roue d’entraînement de l’axe radial intermédiaire.

Exposé de l’invention

On parvient à réaliser cet objectif avec un ensemble de propulsion d’un aéronef comprenant une turbine, au moins une soufflante d’axe décalé par rapport à l’axe de la turbine et un mécanisme de transmission de puissance entre la turbine et la soufflante, caractérisé par le fait que le mécanisme de transmission de puissance comprend un réducteur de vitesse sur l’arbre d’entrainement de la ou des soufflante (s), le réducteur de vitesse étant un engrenage épicycloïdal avec un pignon planétaire, des satellites et une couronne, le pignon planétaire formant l’entrée du réducteur.

En disposant un réducteur de vitesse au niveau de la soufflante, on peut obtenir un rapport de réduction global élevé entre le module de la soufflante et celui de la turbine libre.

Par exemple l’arbre de turbine de puissance peut porter un pignon conique qui attaque une roue de diamètre sensiblement identique. La transmission est à ce niveau sans réduction de vitesse de la ligne d’arbre.

Ce premier renvoi d’angle peut être agencé aussi avec réduction de vitesse de la ligne d’arbre. Cette option avec réduction de vitesse est avantageuse dans le cas où il est prévu un très grand rapport de réduction total. Elle permet de limiter les dimensions du réducteur de vitesse principal sur l’arbre de soufflante. Dans ce cas le rapport de réduction de l’étage de renvoi reste faible, lié à des considérations d’une part d’intégration du renvoi d’angle dans le carter d’échappement et de l’arbre radial dans les bras de carter et d’autre part de tenue du pignon d’arbre de turbine aux contraintes de flexion et à la pression. L’arbre radial est ainsi un arbre rapide de vitesse de rotation sensiblement identique à celle de la turbine de puissance.

On réduit encore l’encombrement radial du réducteur de vitesse à engrenage épicycloïdal en optant pour un mécanisme dont l’axe de rotation des satellites est incliné par rapport à l’axe du pignon planétaire. Les roues des satellites sont guidées en rotation et supportées par un châssis formant stator qui peut être agencé de manière à ce que les roues des satellites forment un angle avec l’axe de la turbine. L’angle d’inclinaison des roues de satellite est déterminé à iso encombrement axial par le rapport de réduction du réducteur de vitesse ensemble avec le rapport des diamètres primitifs entre satellites et couronne ainsi que par les contraintes de flexion et de pression admissibles dans les dents (l’augmentation du diamètre primitif du planétaire réduit les contraintes dans celui-ci à iso couple) et la longueur totale du réducteur.

Conformément à une autre caractéristique, le mécanisme de transmission de puissance comprend un premier élément d’arbre intermédiaire orienté selon une direction radiale par rapport à l’axe de la turbine, le premier élément d’arbre intermédiaire engrenant sur l’arbre de la turbine. Plus particulièrement le mécanisme de transmission comprend, ledit premier élément d’arbre intermédiaire orienté selon une direction radiale, un deuxième élément d’arbre intermédiaire radial et entre les deux éléments d’arbre et une liaison comprenant deux joints homocinétiques. De préférence la liaison comprend liaison à glissière disposées en série avec les joints homocinétiques. L’invention s’applique avantageusement à un ensemble de propulsion dont la turbine est entraînée par un générateur de gaz. Elle s’applique plus particulièrement à un ensemble de propulsion dont le générateur de gaz est un moteur à turbine à gaz avec un carter d’échappement comprenant deux viroles concentriques, l’une interne l’autre externe, définissant la veine des gaz moteurs en aval de la turbine, le réducteur étant logé à l’intérieur de la virole interne. Conformément à une autre caractéristique alors l’arbre traverse les viroles du carter d’échappement.

Présentation des figures D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode réalisation de l’invention non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une représentation schématique d’une architecture d’ensemble de propulsion d’aéronef ;

La figure 2 montre un agencement des pignons coniques dans l’entraînement de l’arbre de soufflante par l’arbre de la turbine selon l’architecture de la figure 1 ;

La figure 3a et 3b montrent une représentation schématique de la transmission de puissance conforme à un mode de réalisation de l’invention avec un train épicycloïdal plan ;

La figure 4 montre une représentation schématique de la transmission de puissance conforme à un autre mode de réalisation de l’invention avec un train épicycloïdal dont l’axe des satellites est incliné par rapport à celui du planétaire ;

La figure 5 montre un agencement des paliers de la transmission le long de l’axe de soufflante.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

En se reportant à la représentation schématique de la figure 3a, on retrouve une turbine 15 de puissance entraînée par les gaz d’un générateur de gaz non indiqué ici avec un arbre 16 de turbine monté rotatif sur un ensemble de paliers 16p1, 16p2, solidaires de la structure fixe du moteur : un palier 16p1 à rouleaux et un palier 16p2 de butée par exemple un palier à billes.

Cet arbre 16 est relié à une transmission radiale 20 par un renvoi d’angle avec des pignons coniques l’un 16c sur l’arbre de turbine 16 et l’autre 21c sur un premier élément 21 d’arbre radial. Le renvoi d’angle simple dans le générateur de gaz facilite l’intégration de celui-ci dans le carter d’échappement.

Ce premier élément 21 est relié à un deuxième élément 22 d’arbre radial par l’intermédiaire d’une liaison 23. La liaison est schématisée par deux joints homocinétiques 23c1 et 23c2 de type rotule à doigt en série entre eux avec une liaison à glissière 23g. Cette combinaison permet de rattraper les déplacements angulaires entre les deux éléments d’arbres et aussi les déplacements axiaux entre eux, qui sont susceptibles de survenir en fonctionnement de l’ensemble propulsif en raison des chargements thermiques et mécaniques.

Conformément à un exemple de réalisation, le premier joint homocinétique est un joint Rzeppa connu en soi. Un tel joint comprend un axe d’entraînement et un axe entraîné ; un bol est solidaire d’un axe et une noix est solidaire de l’autre axe avec interposition de billes. L’agencement entre ces éléments est réalisé de façon à permettre un entraînement de l’axe entraîné à la même vitesse de rotation que l’axe d’entrée tout en admettant un désalignement angulaire entre eux.

Avantageusement le second joint homocinétique est un joint VL coulissant connu en soi. Il comprend un axe d’entraînement et un axe entraîné des billes retenues dans une cage sont mobiles à l’intérieur de gorges croisées, respectivement extérieures et intérieures. Les gorges permettent un déplacement axial d’un axe par rapport à l’autre tout en assurant la transmission de couple. Le second joint peut aussi être un joint de Rzeppa. La liaison entre les deux joints étant alors coulissante, par exemple par le moyen de cannelures glissantes. L’élément d’arbre radial 22 est relié par un renvoi d’angle à un élément d’arbre 19 d‘entrainement de soufflante 10. Le renvoi d’angle comprend les deux pignons coniques 22c et 19c.

La soufflante 10 est entraînée par son arbre de soufflante 11 qui est lui-même entraîné par l’élément d’arbre 19 au travers d’un réducteur de vitesse 30 supporté par le module de soufflante. Le réducteur est de préférence à train épicycloïdal avec un planétaire 31, une couronne 35 et des satellites 33. Les satellites 33 sont supportés par un châssis fixe 34, attaché au carter de l’ensemble propulsif. Les roues formant les satellites 33 engrènent d’une part sur les dents du pignon planétaire 31 et d’autre part sur les dents de la couronne. Le planétaire engrène avec le jeu de satellites, dont le nombre dépend de la dimension du réducteur, du rapport de réduction et du couple en entrée.

Ces satellites sont, selon un mode de réalisation, à dentures hélicoïdales à double chevrons. Dans ce cas, il y a blocage du degré de liberté en translation sur l’axe de la soufflante entre les différents composants du réducteur. Afin de ne pas subir d’importantes contraintes internes lors de la dilatation axiales de l’environnement sous charge thermique, on restaure le degré de liberté en translation axiale entre chaque composant. On peut par exemple dans ce but utiliser un guidage des satellites par des paliers lisses sans butée axiale et une liaison rotor de soufflante / couronne réalisée à l’aide d’une cannelure non bloquée axialement et donc glissante sur l’axe de la soufflante.

Ces satellites sont selon un autre mode de réalisation à dentures droites. Le degré de liberté en translation axiale est maintenu entre planétaire/satellites et satellites/couronne. Il n’est dans ce cas pas nécessaire d’utiliser des cannelures glissantes et il est possible de privilégier par exemple l’emploi de paliers à rouleaux sphériques pour le guidage de satellites. L’élément d’arbre 19 est en prise, en entrée du réducteur, avec le planétaire 31 et, en sortie, l’arbre 11 de soufflante est entraîné par la couronne 35 de laquelle il est solidaire. Les arbres 11 et 19, supportés par des jeux de paliers 11 p et 19p à la structure fixe de l’ensemble propulsif, sont ici coaxiaux selon la direction A qui est parallèle et décalée par rapport à la direction B de l’arbre 16. De manière avantageuse, mais non limitativement, les paliers 11 p et 19p sont respectivement un palier à billes et un palier à rouleaux.

En particulier, comme illustré sur la figure 3b, l’arbre 19 est supporté par le palier à rouleaux 19p lequel est disposé en amont du réducteur de vitesse 30 entre une virole de support 25 et l’arbre 19. La bague intérieure est portée par l’arbre 19 et la bague extérieure est portée par la virole de support. Quant au palier à billes 11 p, celui-ci est disposé en aval du réducteur de vitesse 30, à proximité de la soufflante, entre une épingle 29 solidarisée au bras de carter 28 et le rotor de soufflante 26. La bague extérieure est portée par le rotor de soufflante 26 et la bague intérieure est portée par l’épingle 29. Ce palier à billes 11 p forme une butée axiale. De la sorte, le rotor de soufflante 26 est guidé en rotation et est maintenu axialement en position.

De manière avantageuse, mais non limitative, la couronne 27 est montée souple et le planétaire est monté rigide.

Ainsi, les arbres radiaux 21, 22 voient un couple plus faible, il s’ensuit un gain en masse sur ceux-ci.

De plus les bras de carter permettant le passage des arbres radiaux sont moins gros, et les pertes associées dans les veines primaire et secondaire sont réduites.

La chaîne cinématique entre la turbine 15 et la soufflante 10 comprend ainsi l’arbre 16, la transmission radiale 20, l’élément d’arbre 19, le réducteur de vitesse 30 et l’arbre de soufflante 11.

Au lieu d’un réducteur plan, on réduit l’encombrement radial de cet ensemble mécanique en disposant un réducteur, dit sphérique, dans lequel les satellites ont leur axe de rotation incliné par rapport à l’axe de la roue planétaire. Une telle variante est représentée sur la figure 4. Le réducteur 30’ comprend un planétaire en entrée 31’ et une couronne 35’ en sortie pour entraîner l’arbre de soufflante. Les satellites sont montés sur un châssis 34’ solidaire de la structure du moteur et leur axe de rotation au lieu d’être parallèle à l’axe du planétaire sont convergents avec celui-ci. L’inclinaison des satellites permet de réduire l’encombrement radial du réducteur par rapport à un dispositif où les axes seraient parallèles entre eux. Une telle inclinaison permet également d’obtenir un réducteur avec une forme conique ou sphérique ce qui optimise la place disponible dans le ou les modules de soufflante(s). Le réducteur sphérique permet un encombrement radial réduit pour le même rapport de réduction. Ces caractéristiques correspondent bien avec l’encombrement disponible en aval du moyeu de la soufflante, à l’intérieur de la veine de soufflante. Comme dans le mode de réalisation précédent, on dispose avantageusement une transmission radiale entre l’arbre de la turbine libre et l’élément d’arbre 19, qui peut absorber les déformations parasites de la structure en fonctionnement de l’ensemble propulsif.

La figure 5 montre un ensemble de module de soufflante intégrant un exemple d’agencement des paliers pour un réducteur sphérique, à l’intérieur d’un élément de carter 34’ fixe qui comprend notamment le porte-satellites. L’arbre radial 22 de la transmission radiale, est supporté dans l’élément de carter 34’ par le moyen de deux paliers 22 : un palier à billes 22p1 et un palier à rouleaux 22p2. L’arbre 19’ comporte d’un côté le pignon conique 19’c du renvoi d’angle et de l’autre côté le planétaire 31’ du réducteur 30’. Il est supporté d’un côté par un palier à rouleaux 19’p2 et de l’autre côté à l’intérieur du réducteur 30’ par un palier inter arbre 19’p1. Le palier inter arbre est en bout de l’arbre 11 de soufflante qui est solidaire de la couronne 35’. L’arbre 11 de soufflante est également supporté par un double palier avec un roulement à rouleaux 11 p1 et un roulement à billes 11p2. Les paliers radiaux voient des charges moins importantes. Les arbres radiaux voient un couple plus faible, il s’ensuit un gain en masse sur ce composant.

Selon une variante de réalisation au palier inter arbre contrarotatif entre l’arbre portant le pignon planétaire et le rotor de soufflante, on intègre un palier à billes dont la bague extérieure est portée par le carter et non un rotor. Le palier inter arbre contrarotatif peut aussi être le palier à rouleaux, de préférence, car la butée à billes serait alors plus près de l’engrènement conique, contribuant à la bonne qualité du transfert de puissance (peu de déplacements).

Les satellites 33’ du réducteur, au nombre de trois par exemple, sont supportés de préférence par un palier à rouleaux sphériques qui assure un guidage satisfaisant tout en le rendant tolérants aux éventuels défaut d’alignement entre les deux arbres 11 et 19’c au cours du fonctionnement de l’ensemble propulsif.

Conformément à une variante de réalisation non représentée, et en fonction du besoin en matière de rapport de réduction, la couronne est liée au carter du module de soufflante et le porte satellite lié au rotor de la soufflante.

Claims (7)

1. Revendications

   1. Ensemble de propulsion d’un aéronef comprenant une turbine (15), au moins une soufflante (10) entraînée par un arbre (11) d’axe décalé par rapport à l’axe de la turbine et un mécanisme de transmission de puissance entre la turbine et la soufflante, caractérisé par le fait que le mécanisme de transmission de puissance comprend un réducteur (30, 30’) de vitesse sur l’arbre (11) d’entrainement de la soufflante, le réducteur de vitesse étant un engrenage épicycloïdal avec un pignon planétaire (31, 31’), des satellites (33, 33’) et une couronne (35, 35’), le pignon planétaire formant l’entrée du réducteur.
2. 2. Ensemble selon la revendication précédente dont l’axe de rotation des satellites (33’) est incliné par rapport à l’axe de l’arbre (19, 19’) du pignon planétaire (31’).
3. 3. Ensemble selon l’une des revendications précédentes dont le mécanisme de transmission de puissance comprend un premier élément (21) d’arbre intermédiaire orienté selon une direction radiale par rapport à l’axe de la turbine, le premier élément d’arbre intermédiaire engrenant sur l’arbre (16) de la turbine.
4. 4. Ensemble selon la revendication précédente dont le mécanisme de transmission comprend, ledit premier élément (21) d’arbre intermédiaire orienté selon une direction radiale, un deuxième élément (22) d’arbre intermédiaire radial et entre les deux éléments d’arbre une liaison comprenant deux joints (23c1, 23c2) homocinétiques.
5. 5. Ensemble selon la revendication précédente dont la liaison entre les deux éléments d’arbre comprend une liaison (23g) à glissière disposée en série avec les deux joints homocinétiques.
6. 6. Ensemble de propulsion selon l’une des revendications 1 à 5 dont la turbine (15) est entraînée par un générateur de gaz (3).
7. 7. Ensemble de propulsion selon la revendication précédente dont le générateur de gaz (3) est un moteur à turbine à gaz avec un carter d’échappement comprenant deux viroles concentriques, l’une interne l’autre externe, définissant la veine des gaz moteurs en aval de la turbine l’arbre intermédiaire traverse les viroles du carter d’échappement.