FR3046405A1 - Dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif (30) de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur (10), un ensemble de pales étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif (28b) lié mécaniquement à un rotor (22a, 22b) d'hélice, chaque pale comprenant un pivot de pale (44) maintenu radialement par l'anneau rotatif et monté pivotant selon un axe radial sur l'anneau rotatif, ledit pivot de pale étant lié à une tige radiale (38) au moyen d'une liaison hélicoïdale (40 ; 40'), ladite tige radiale étant apte à être déplacée radialement par des moyens de translation de manière à ce qu'une translation radiale de la tige radiale entraîne un changement de l'orientation de la pale. Les moyens de translation comprennent un plateau (34) centré sur l'axe longitudinal (12) et monté sur un actionneur rotatif (32), le plateau étant relié à chaque tige radiale au moyen d'une bielle tangentielle (36).

Description

Arrière-Plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des turbopropulseurs comportant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable. Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, la commande d'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur d'avion à double hélices.

De façon connue, un turbopropulseur d'avion à double hélice comprend une turbine à deux rotors contrarotatifs entraînant chacun un ensemble de pales de soufflante non carénées (par exemple du type « Open Rotor »). L'invention s'applique indifféremment aux turbopropulseurs dont les hélices sont montées à l'avant ou à l'arrière.

Dans ce type de turbopropulseur, l'orientation des pales de soufflante de chaque ensemble (on parle également de réglage du pas ou de calage du pas) constitue l'un des paramètres permettant de gérer la poussée du turbopropulseur. A cet effet, l'une des solutions connues pour commander l'orientation des pales de soufflante d'un même ensemble est de recourir à un vérin axial solidaire d'un élément de structure fixe du turbopropulseur, comme cela est par exemple décrit dans le document de brevet EP 2,435,302. Le vérin axial permet, au moyen d'un ensemble de bras articulés et d'un anneau de synchronisation, de changer l'orientation d'un ensemble de pales de manière simultanée.

Cependant, une telle solution présente certains inconvénients. Notamment, l'utilisation d'un vérin axial présente un encombrement dans la direction longitudinale qui est important, la longueur du vérin axial devant être bien supérieure à la longueur de sa course (typiquement, au moins deux fois plus grande que la longueur de sa course).

Il est donc souhaitable de disposer d'un dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur qui présente un encombrement axial réduit, tout en conservant sa fiabilité.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif centré sur un axe longitudinal et lié mécaniquement à un rotor d'hélice, chaque pale comprenant un pivot de pale maintenu radialement par l'anneau rotatif et monté pivotant selon un axe radial sur l'anneau rotatif, ledit pivot de pale étant lié à une tige radiale au moyen d'une liaison hélicoïdale, ladite tige radiale étant apte à être déplacée radialement par des moyens de translation de manière à ce qu'une translation radiale de la tige radiale entraîne un changement de l'orientation de la pale.

Conformément à l'invention, les moyens de translation comprennent un plateau centré sur l'axe longitudinal et monté sur un actionneur rotatif, le plateau étant relié à chaque tige radiale au moyen d'une bielle tangentielle dont une extrémité est fixée sur le plateau au moyen d'une liaison pivotante autour d'un axe longitudinal, l'autre extrémité de la bielle tangentielle étant fixée sur la tige radiale au moyen d'une liaison pivotante autour d'un axe longitudinal, de sorte qu'une rotation du plateau autour de l'axe longitudinal entraîne une translation radiale de chaque tige radiale.

Le dispositif selon l'invention est notamment remarquable en ce qu'il met en œuvre un actionneur rotatif pour faire varier l'orientation de l'ensemble de pales simultanément. Un tel actionneur présente l'avantage d'être plus compact axialement qu'un traditionnel vérin axial, dont la longueur axiale doit être au moins supérieure à deux fois sa longueur de course. En outre, le dispositif présente un nombre d'éléments réduits et ne nécessite qu'une unique bielle tangentielle par pale pour assurer le transfert du mouvement de rotation du plateau en un changement de l'orientation de la pale. Ce nombre réduit de pièces augmente la fiabilité globale du dispositif.

De préférence, l'actionneur rotatif est un vérin hydraulique à mouvement circulaire fixé sur un arbre de rotor. Les vérins hydrauliques à mouvement circulaire sont bien plus compacts axialement que les vérins hydrauliques axiaux. En outre, la surface d'appui sur un vérin à mouvement circulaire est plus importante pour un encombrement et une course équivalente à un vérin axial, ce qui permet d'abaisser le niveau de pression dans le circuit de commande hydraulique, rendant ainsi la commande du vérin plus aisée. De plus, la forme d'un tel vérin à mouvement circulaire peut être adaptée en fonction de l'emplacement dans lequel il sera positionné dans le turbomoteur, il peut par exemple avoir une forme cylindrique ou conique.

De préférence également, l'actionneur rotatif est un moteur électrique fixé sur un arbre de rotor. Dans ce cas, le moteur commande directement l'orientation des pales en faisant tourner le plateau autour de son axe longitudinal d'un certain angle. Comme précédemment, la forme du moteur électrique peut être adaptée à l'espace disponible dans le turbopropulseur.

En variante, l'actionneur rotatif est un moteur électrique solidaire d'un élément de structure fixe du turbopropulseur. Dans ce cas, le moteur électrique présente une vitesse de rotation qui est synchronisée sur la vitesse de rotation du moteur, c'est alors un déphasage de la rotation du moteur électrique qui permet de contrôler l'orientation de l'ensemble de pales. Le déphasage de la rotation du moteur électrique revient ainsi à faire tourner le plateau d'un certain angle dans le référentiel fixe de l'anneau rotatif, et ainsi de changer l'orientation des pales.

Le dispositif peut être configuré pour que chaque bielle tangentielle soit sensiblement alignée avec la tige radiale à laquelle elle est liée lorsque la pale correspondante est dans une position de mise en drapeau. Cette disposition est avantageuse car l'alignement des bielles tangentielles avec les tiges radiales est favorisé par la force centrifuge qui s'exerce sur elles. Ainsi, la position de mise en drapeau des pales est une position stable du dispositif, ce qui augmente la sécurité et la fiabilité du dispositif.

De préférence, chaque pivot de pale est monté pivotant sur l'anneau rotatif au moyen de roulements à billes, les roulements à billes maintenant radialement fixe le pivot sur l'anneau rotatif. On entend par « maintenir radialement » que les pales ne peuvent pas se déplacer selon une direction radiale. Les roulements à billes permettent avantageusement de reprendre les efforts centrifuges exercés sur la liaison hélicoïdale, de sorte que la liaison hélicoïdale n'est soumise qu'aux efforts aérodynamiques sur la pale. L'efficacité du dispositif est ainsi améliorée et la durée de vie des éléments formant la liaison hélicoïdale est augmentée.

De préférence également, chaque tige radiale est montée au moyen d'une liaison de type vis sans fin dans le pivot de pale.

Dans un exemple, chaque tige radiale comprend à une extrémité radialement extérieure une vis à recirculation de billes, une gorge de recirculation de billes traversant ladite vis par l'intérieur de la vis, et en ce que le pivot de pale correspondant forme un écrou pour ladite vis à recirculation de billes. L'utilisation d'une vis à recirculation de billes réduit avantageusement les frottements entre la vis et le pivot de pale, augmentant l'efficacité du dispositif de commande de l'orientation des pales et sa durée de vie. En outre, lorsqu'une bille roule sur elle-même dans un roulement à billes classique, son logement est sujet à une usure importante. La recirculation des billes permet d'éviter ce phénomène en faisant se déplacer les billes de manière continue pendant le mouvement de la vis.

Dans un autre exemple, chaque tige radiale comprend à une extrémité radialement extérieure une surface externe sensiblement cylindrique qui est munie de billes en saillie coopérant avec des gorges hélicoïdales formées dans le pivot de pale correspondant. L'invention vise également un turbopropulseur comprenant un dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante tel que celui présenté précédemment.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turbopropulseur à double hélice muni d'un dispositif de commande de l'orientation des pales selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 2A et 2B sont des vues en coupe transversale du turbopropulseur de la figure 1 au niveau du dispositif de commande de l'orientation des pales ; - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe longitudinale de dispositifs de commande de l'orientation des pales selon deux modes de réalisation de l'invention ; et - les figures 5A et 5B, et, 6A et 6B illustrent deux types de liaisons hélicoïdales utilisables dans un dispositif selon l'invention.

Description détaillée de l'invention

La figure 1 représente de façon très schématique un exemple de réalisation d'un turbopropulseur d'avion du type à double hélice.

Un tel propulseur est connu et ne sera donc pas décrit en détails. Le turbopropulseur 10 comprend notamment un axe longitudinal 12 et une nacelle annulaire 14 disposée coaxialement autour de l'axe longitudinal 12. Le turbopropulseur comprend encore un ensemble amont (ou avant) 24a et un ensemble aval (ou arrière) 24b de pales de soufflante 26 à orientation réglable. Les pales de soufflante 26 de chaque ensemble 24a, 24b sont plus précisément montés sur un anneau rotatif 28a, 28b en forme de plate-forme annulaire centrée sur l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur.

Les pales de soufflante 26 de chaque ensemble sont par ailleurs régulièrement espacées circonférentiellement et s'étendent radialement depuis la surface de l'anneau rotatif respectif 28a, 28b. Chaque rotor 22a, 22b de la turbine 20 porte et entraîne en rotation l'un des anneaux rotatifs 28a, 28b sur lequel est monté l'un des ensembles 24a, 24b de pales de soufflante à orientation réglable.

Le turbopropulseur comprend également un dispositif 30, 30' pour la commande de l'orientation des pales de soufflante de chaque ensemble 24a, 24b. Le dispositif de commande selon l'invention est ici illustré lorsqu'il est monté sur l'ensemble aval 24b, mais pourrait aussi bien s'appliquer aux pales de soufflante de l'ensemble amont 24a.

De façon très schématique, la figure 1 montre également des éléments du dispositif 30, 30' de commande de l'orientation de l'ensemble des pales aval 24b, qui vont être décrits plus en détail en lien avec les figures 2A et 2B.

Dans le présent exposé, les termes « intérieur », « inférieur », « extérieur » et « supérieur » sont définis par rapport à l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur. Un axe longitudinal est un axe parallèle à l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur. Un axe radial est un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal 12 et qui coupe ce dernier. Un axe tangentiel est un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal 12 et à un axe radial. Sauf mention contraire, les signes de référence identiques sur les différentes figures désignent des caractéristiques identiques.

La figure 2A montre une vue en coupe transversale du turbopropulseur de la figure 1, au niveau du dispositif 30 de commande de l'orientation des pales de l'hélice aval 24b selon un mode de réalisation de l'invention.

Conformément à l'invention, le dispositif 30 comprend un actionneur rotatif 32 (représenté en pointillés) centré sur l'axe longitudinal 12, et sur lequel est monté un plateau 34, également centré sur l'axe 12, au moyen d'une tige de liaison 33 (figure 3 ou 4). L'actionneur rotatif est ici solidaire d'un élément de structure 31 (figure 4) fixe du turbopropulseur, par exemple un carter du turbopropulseur.

Le plateau 34 est muni de points de fixation 35 répartis circonférentiellement autour de celui-ci, et sur lesquels sont fixées des bielles tangentielles 36. Chaque bielle 36 est reliée à son extrémité intérieure à un point d'attache 35 du plateau 34 au moyen d'une liaison 36a pivotante autour d'un axe longitudinal. A son extrémité extérieure, chaque bielle 36 est reliée à l'extrémité intérieure d'une tige radiale 38 au moyen d'une liaison 36b pivotante autour d'un axe longitudinal.

Chaque tige radiale 38 est reliée au pivot 44 d'une pale 26 au moyen d'une liaison hélicoïdale 40, 40' permettant de transformer un mouvement de translation de chaque tige 38 en un mouvement de rotation du pivot de pale 44 correspondant. Une telle liaison sera décrite plus en détail ultérieurement. De la sorte, lorsque l'actionneur rotatif 32 fait tourner le plateau 34 autour de son axe 12, les tiges radiales 38 sont déplacées radialement et entraînent un changement de l'orientation des pales 26.

Il y a dans l'exemple illustré autant de points de fixation 35, de bielles tangentielles 36 et de tiges radiales 38 que de pales 26.

On notera que le dispositif 30 illustré sur la figure 2A est dans une configuration où l'ensemble des pales 26 sont mises en drapeau (c'est-à-dire orientées dans la direction d'écoulement de l'air autour du turbopropulseur, afin de réduire la traînée des pales). Dans une telle configuration, les bielles tangentielles 36 sont alignées radialement avec les tiges radiales 38.

On notera que le poids des bielles 36 et des tiges radiales 38 participe, grâce à la force centrifuge, au retour des pales dans une position correspondant à leur position de mise en drapeau.

La figure 2B montre quant à elle le dispositif 30 de la figure 2A dans une configuration où les pales 26 sont orientées différemment. On voit que la rotation du plateau 34 (schématisée par une flèche sur la figure 2B) a entraîné une translation des tiges radiales 38 et un changement de l'orientation des pales 26 de façon simultanée.

La figure 3 montre une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de commande de l'orientation des pales 30 selon un mode de réalisation de l'invention. L'actionneur rotatif 32 est ici fixé sur un arbre de rotor, et plus particulièrement sur l'anneau rotatif 28b, par des moyens 31' représentés schématiquement sur la figure 3. L'actionneur 32 est ainsi entraîné en rotation avec l'anneau rotatif 28b et les pales 26. Un tel actionneur 32 peut être un vérin hydraulique à mouvement circulaire ou, en variante, un moteur électrique.

Dans le cas d'un vérin hydraulique à mouvement circulaire, il pourra par exemple présenter une forme cylindrique ou conique adaptée à l'environnement dans lequel le vérin sera placé dans le turbopropulseur et à l'espace qui lui est alloué.

La figure 4 montre une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de commande de l'orientation des pales 30' selon un autre mode de réalisation de l'invention. L'actionneur rotatif 32 est ici solidaire d'un élément fixe 31 du turbopropulseur. Un tel actionneur peut être un moteur électrique synchronisé en rotation avec l'anneau rotatif 28b de sorte que la tige 33 et le plateau 34 soient fixes dans un référentiel lié à l'anneau rotatif 28b. Pour commander l'orientation des pales 26, il faut imposer un certain déphasage (retard ou avance de phase) de la position angulaire du plateau 34 par rapport à la position angulaire de l'anneau rotatif.

Les figures 5A et 5B, et, 6A et 6B montrent deux exemples de liaisons hélicoïdales du type vis sans fin pouvant être utilisées dans un dispositif 30, 30' de commande de l'orientation des pales selon l'invention.

Les figures 5A et 5B montrent des vues en coupe d'un premier exemple de liaison hélicoïdale 40, respectivement dans une configuration correspondant à une mise en drapeau de la pale 26, et dans une position du type « reverse » (c'est-à-dire lorsque la pale fait un angle de 120° environ avec la direction d'écoulement de l'air autour du turbopropulseur).

On notera que l'angle maximal de calage des pales peut en variante être compris entre 80° et 100°, ou par exemple supérieur à 90°.

Dans ce premier exemple préféré, la liaison hélicoïdale 40 est constituée par une vis à recirculation de billes 42 qui est logée dans le pivot de pale 44 et située à une extrémité radialement extérieure de la tige radiale 38. Ainsi, le pivot 44 forme un écrou pour la vis 42. La vis 42 comprend un ensemble de billes 42a, ainsi qu'une gorge de recirculation de billes 42b localisée à l'intérieur de la vis 42, de sorte que les billes puissent circuler en circuit fermé autour et à l'intérieur de la vis 42. Une telle vis à recirculation de billes permet de réduire les frottements induits par la rotation du pivot de pale, et augmente notamment son efficacité et sa durée de vie.

Le pivot 44 de la pale 26 est monté sur l'anneau rotatif 28b (par exemple un anneau polygonal) au moyen de roulements à billes 46 qui assurent un maintien radial de la pale sur l'anneau tout en permettant sa rotation autour d'un axe radial (c'est-à-dire que la pale ne peut pas se déplacer radialement). Ces roulements à billes 46 permettent avantageusement de reprendre les efforts centrifuges du pivot 44 de la pale, et de ne pas soumettre le dispositif de commande de l'orientation des pales aux forces centrifuges induites par la pale 26. Ainsi, la liaison hélicoïdale 40 n'est soumise qu'aux forces aérodynamiques qui s'exercent sur la pale 26.

Un capot 48 est fixé à l'intérieur de l'anneau rotatif 28b par le biais de fixations 48a, et joue le rôle de butée radiale inférieure pour la vis 42. On notera que le capot 48 peut prendre la forme d'une pluralité de capots présents au niveau de chaque pale pour diminuer la masse globale du dispositif, ou, en variante, d'un capot annulaire divisé en secteurs présent sur toute la circonférence de l'anneau rotatif, pour un montage plus aisé. Le capot 48 est, dans l'exemple illustré, percé de façon à pouvoir être traversé par la tige 38.

La figure 5B illustre une configuration de la liaison hélicoïdale 40 dans laquelle la vis 42 a subit une translation radiale vers l'intérieur et vient en butée sur le capot 48. Un tel capot 48 permet ainsi de contrôler la course de la vis 42, et de s'assurer que l'orientation limite de la pale correspond, par exemple, à la position « reverse ». Les butées de la vis 42 d'une part sur le capot 48, et d'autre part sur le pivot de pale 44, permettent ainsi de définir la plage de calage de chaque pale.

Les figures 6A et 6B illustrent un deuxième exemple de liaison hélicoïdale 40' du type vis sans fin également.

Dans la liaison hélicoïdale 40', un embout 50 sensiblement cylindrique est présent à une extrémité radialement extérieure de la tige 38, la surface externe 50a sensiblement cylindrique de cet embout 50 est munie de billes 50b en saillie. Le pivot 44 de pale comprend quant à lui une portion cylindrique à l'intérieur de laquelle est monté l'embout 50, la portion cylindrique comprenant des gorges hélicoïdales 44a avec lesquelles coopèrent les billes 50b.

Les figures 6A et 6B illustrent respectivement la liaison hélicoïdale 40' lorsque la pale est en position de mise en drapeau, l'embout 50 est alors en position haute (ou supérieure), et dans une autre position, l'embout 50 est alors dans une position basse (ou inférieure). Comme précédemment, l'embout 50 peut venir en butée sur le capot 48 lorsque l'orientation de la pale atteint la position « reverse ». L'invention a été décrite en lien avec un turbopropulseur du type à double hélices. On notera cependant que l'invention s'applique de manière équivalente à tout type de turbopropulseur comprenant au moins une hélice entraînée en rotation par au moins une turbine de puissance alimentée par un générateur de gaz, pour lequel un calage des pales de l'hélice est nécessaire. On citera par exemple : les turbopropulseurs comprenant une unique hélice entraînée par une turbine avec un réducteur prévu entre la turbine et l'hélice ; les turbopropulseurs comprenant deux hélices contra rotatives entraînées par deux rotors de turbine contrarotatifs, ou par un unique rotor de turbine muni d'un engrenage épicycloïdal différentiel entraînant les rotors d'hélices contrarotatifs ; ou encore les turbopropulseurs comprenant une hélice amont entraînée par une turbine et une hélice aval fixe de redressement.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif (30 ; 300 de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur (10) comprenant au moins un ensemble (24a, 24b) de pales (26) de soufflante à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif (28a, 28b) centré sur un axe longitudinal (12) et lié mécaniquement à un rotor (22a, 22b) d'hélice, chaque pale comprenant un pivot de pale (44) maintenu radialement par l'anneau rotatif et monté pivotant selon un axe radial sur l'anneau rotatif, ledit pivot de pale étant lié à une tige radiale (38) au moyen d'une liaison hélicoïdale (40 ; 400, ladite tige radiale étant apte à être déplacée radialement par des moyens de translation de manière à ce qu'une translation radiale de la tige radiale entraîne un changement de l'orientation de la pale, caractérisé en ce que les moyens de translation comprennent un plateau (34) centré sur l'axe longitudinal (12) et monté sur un actionneur rotatif (32), le plateau étant relié à chaque tige radiale au moyen d'une bielle tangentielle (36) dont une extrémité est fixée sur le plateau au moyen d'une liaison (36a) pivotante autour d'un axe longitudinal, l'autre extrémité de la bielle tangentielle étant fixée sur la tige radiale (38) au moyen d'une liaison (36b) pivotante autour d'un axe longitudinal, de sorte qu'une rotation du plateau autour de l'axe longitudinal entraîne une translation radiale de chaque tige radiale.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur rotatif (32) est un vérin hydraulique à mouvement circulaire fixé sur un arbre de rotor.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur rotatif (32) est un moteur électrique fixé sur un arbre de rotor.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur rotatif (32) est un moteur électrique solidaire d'un élément de structure fixe (31) du turbopropulseur.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est configuré pour que chaque bielle tangentielle (36) soit sensiblement alignée avec la tige radiale (38) à laquelle elle est liée lorsque la pale (26) correspondante est dans une position de mise en drapeau.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque pivot de pale (44) est monté pivotant sur l'anneau rotatif au moyen de roulements à billes (46), les roulements à billes maintenant radialement fixe le pivot sur l'anneau rotatif.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque tige radiale (38) est montée au moyen d'une liaison de type vis sans fin dans le pivot de pale.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque tige radiale (38) comprend à une extrémité radialement extérieure une vis à recirculation de billes (42), une gorge de recirculation de billes (42b) traversant ladite vis par l'intérieur de la vis, et en ce que le pivot de pale (44) correspondant forme un écrou pour ladite vis à recirculation de billes.
9. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque tige radiale (38) comprend à une extrémité radialement extérieure une surface externe sensiblement cylindrique (50a) qui est munie de billes en saillie (50b) coopérant avec des gorges hélicoïdales (44a) formées dans le pivot de pale (44) correspondant.
10. 10. Turbopropulseur (10) comprenant un dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante (30 ; 30') selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.