FR3046406A1 - 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 (26) de soufflante d'un turbopropulseur comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante (24b) à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif (28b) centré sur un axe longitudinal (12) et lié mécaniquement à un rotor d'hélice, chaque pale comprenant un pivot (36) 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 (34) au moyen d'une liaison hélicoïdale (38 ; 38'), 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. Pour chaque pale, la tige radiale comprend, à une extrémité opposée à celle liée au pivot de pale, un piston (32a) apte à coulisser radialement à l'intérieur d'une chambre hydraulique (40) commune à l'ensemble des tiges radiales de sorte à former un vérin (32) de déplacement de ladite tige radiale. L'invention concerne également un turbopropulseur comprenant un tel dispositif.

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 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 de turbine, 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 par une liaison hélicoïdale à une extrémité d'une tige radiale apte à être déplacée radialement pour entraîner un changement de l'orientation de la pale.

Conformément à l'invention, pour chaque pale, la tige radiale comprend, à une extrémité opposée à celle liée au pivot de pale, un piston apte à coulisser radialement à l'intérieur d'une chambre hydraulique commune à l'ensemble des tiges radiales de sorte à former un vérin de déplacement de ladite tige radiale. Cette chambre hydraulique commune, associée à l'ensemble des pistons des tiges radiales forme ainsi un vérin à déplacement radial.

Le dispositif selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend un ensemble de vérins radiaux à chambre hydraulique commune. Ces vérins permettent de réduire notamment l'encombrement radial du dispositif de commande de l'orientation des pales. En outre, comme les vérins sont reliés entre eux par une chambre hydraulique commune, une seule pompe hydraulique est nécessaire pour contrôler l'orientation de l'ensemble des pales de façon simultanée.

De préférence, la chambre hydraulique commune est centrée sur l'axe longitudinal et présente une forme annulaire, ladite chambre étant liée à un rotor d'hélice.

De préférence encore, le dispositif de commande de l'orientation des pales est configuré pour que, lorsque les vérins sont en fin de course, les pales sont orientées dans une position correspondant à la mise en drapeau des pales.

De préférence encore, 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.

Avantageusement, 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, le pivot de pale correspondant formant 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.

En variante, chaque tige radiale peut comprendre 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 3A et 3B sont des vues en coupe longitudinale correspondant respectivement aux figures 2A et 2B ; et - - les figures 4A et 4B, et, 5A et 5B 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. Le turbopropulseur 10 comprend en outre, d'amont en aval dans le sens d'écoulement de l'air dans le turbopropulseur, un compresseur 16, une chambre de combustion 18 et une turbine 20 à deux rotors contra rotatifs 22a, 22b, ces différents éléments étant également disposés coaxialement autour de l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur.

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 montées 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 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 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 à 3B.

Dans ie présent exposé, les termes « intérieur », « inférieur », « extérieur », « supérieur », « au-dessous » et « au-dessus » sont définis par rapport 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 longitudinal est un axe parallèle à l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur. 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 ensemble de vérins 32 répartis ici circonférentiellement autour de l'axe longitudinal 12 et comprenant chacun un piston 32a disposé à l'intérieur d'une chambre cylindrique 32b destinée à contenir un liquide, par exemple de l'huile. Il y a ici autant de vérins radiaux 32 que de pales 26.

La tige 34 du piston 32a est liée au pivot 36 d'une pale 26, et est bloquée en rotation autour d'un axe radial. Chaque tige radiale 34 est reliée au pivot 36 d'une pale 26 au moyen d'une liaison hélicoïdale 38, 38' permettant de transformer un mouvement de translation de chaque tige 34 en un mouvement de rotation du pivot de pale 36 correspondant. Une telle liaison sera décrite plus en détail ultérieurement. Le piston 32a est situé à une extrémité de la tige 34 opposée à celle liée au pivot de pale 36. De la sorte, lorsque les vérins 32 sont actionnés, les pistons 32a sont déplacés radialement (ou coulissent radialement) entraînant avec eux les tiges radiales 34 et un changement de l'orientation des pales 26.

Chaque chambre cylindrique 32b comprend à une extrémité intérieure une butée radiale 32c apte à bloquer le piston 32a radialement lorsqu'il vient au contact de la butée radiale 32c. La partie de chaque chambre cylindrique 32b située au-dessous du piston 32a est en communication fluidique avec une chambre hydraulique commune 40, afin que toutes les chambres cylindriques 32b soient en communication fluidique les unes avec les autres. De la sorte, lorsqu'une pression déterminée est imposée dans la chambre commune 40, la partie de chaque chambre cylindrique 32b située sous le piston 32a est également à la même pression. L'utilisation d'une chambre commune 52 permet de n'avoir à utiliser qu'un unique système d'alimentation permettant la charge et la décharge hydraulique de la chambre, pour contrôler l'orientation de toutes les pales.

On notera que, dans l'exemple illustré, les chambres cylindriques 32b font partie intégrante de la chambre hydraulique commune 40, en d'autres termes, que la chambre hydraulique commune 40 comprend les chambres cylindriques 32b.

La chambre hydraulique commune 40 prend, dans l'exemple illustré, une forme annulaire et est centrée autour de l'axe longitudinal 12. Les chambres cylindriques 32b sont réparties circonférentiellement autour de la chambre 40. Bien entendu, d'autres configurations sont possibles pour la chambre commune tout en restant dans le cadre de la présente invention. Par ailleurs, une partie des chambres cylindriques peut appartenir à un premier plan normal à l'axe longitudinal 12 et une seconde partie des chambres peut appartenir à un second plan normal à l'axe longitudinal 12, le second plan étant éloigné du premier plan. Les chambres peuvent être réparties alternativement entre ces deux plans, par exemple « en quinconce » de sorte que les pales ne soient plus alignées sur un même plan perpendiculaire à l'axe moteur.

Sur la figure 2A, les vérins 32 sont en fin de course. Dans cette position, il est avantageux que le dispositif 30 soit configuré pour que les pales 26 soient en position de mise en drapeau (c'est-à-dire orientées de façon à réduire leur traînée au maximum).

La figure 2B est une vue similaire à celle de la figure 2A, dans laquelle les vérins 32 sont dans une position différente, et plus précisément en début de course (c'est-à-dire que chaque piston 32a vient en butée sur la butée radiale 32c). Dans cette position, il est avantageux que le dispositif soit configuré pour que l'orientation des pales corresponde à une position dite « reverse », c'est-à-dire une position dans laquelle les pales sont orientées pour faire un angle d'environ 120° 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°.

Les figures 3A et 3B sont des vues en coupe longitudinale correspondant respectivement aux figures 2A et 2B.

Les figures 4A et 4B, et, 5A et 5B montrent deux exemples de liaisons hélicoïdales du type vis sans fin pouvant être utilisées dans un dispositif 30 de commande de l'orientation des pales selon l'invention.

Les figures 4A et 4B montrent des vues en coupe d'un premier exemple de liaison hélicoïdale 38, respectivement dans une configuration correspondant à une mise en drapeau de la pale 26, et dans une position du type « reverse ».

Dans ce premier exemple, la liaison hélicoïdale 38 est constituée par une vis à recirculation de billes 42 qui est logée dans le pivot de pale 36 et située à une extrémité radialement extérieure de la tige radiale 34. Ainsi, le pivot 36 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 36 de la pale 26 est monté sur l'anneau rotatif 28b (par exemple un anneau polygonal) au moyen de roulements à billes 44 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 44 permettent avantageusement de reprendre les efforts centrifuges du pivot 36 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 38 n'est soumise qu'aux forces aérodynamiques qui s'exercent sur la pale 26.

Un capot 46 est fixé à l'intérieur de l'anneau rotatif 28b par le biais de fixations 46a, et joue le rôle de butée radiale inférieure pour la vis 42. On notera que le capot 46 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 46 est, dans l'exemple illustré, percé de façon à pouvoir être traversé par la tige 34.

La figure 4B illustre une configuration de la liaison hélicoïdale 38 dans laquelle la vis 42 a subit une translation radiale vers l'intérieur et vient en butée sur le capot 46. Un tel capot 46 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 46, et d'autre part sur le pivot de pale 36, permettent ainsi de définir la plage de calage de chaque pale.

Les figures 5A et 5B illustrent un deuxième exemple de liaison hélicoïdale 38' du type vis sans fin également.

Dans la liaison hélicoïdale 38', un embout 50 sensiblement cylindrique est présent à une extrémité radialement extérieure de la tige 34, la surface externe 50a sensiblement cylindrique de cet embout 50 est munie de billes 50b en saillie. Le pivot 36 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 36a avec lesquelles coopèrent les billes 50b.

Les figures 5A et 5B illustrent respectivement la liaison hélicoïdale 38' 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 46 lorsque la pale 26 est orientée en 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 contrarotatives 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 contra rotatifs ; ou encore les turbopropulseurs comprenant une hélice amont entraînée par une turbine et une hélice aval fixe de redressement.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif (30) de commande de l'orientation des pales (26) de soufflante d'un turbopropulseur comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante (24a, 24b) 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 d'hélice, chaque pale comprenant un pivot (36) 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 par une liaison hélicoïdale (38 ; 380 à une extrémité d'une tige radiale (34) apte à être déplacée radialement pour entraîner un changement de l'orientation de la pale, caractérisé en ce que, pour chaque pale, la tige radiale comprend, à une extrémité opposée à celle liée au pivot de pale, un piston (32a) apte à coulisser radialement à l'intérieur d'une chambre hydraulique (40) commune à l'ensemble des tiges radiales de sorte à former un vérin (32) de déplacement de ladite tige radiale.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre hydraulique commune (40) est centrée sur l'axe longitudinal (12) et présente une forme annulaire, ladite chambre étant liée à un rotor d'hélice.
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est configuré pour que, lorsque les vérins (32) sont en fin de course, les pales (26) sont orientées dans une position correspondant à la mise en drapeau des pales.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque pivot de pale (36) est monté pivotant sur l'anneau rotatif (28a, 28b) au moyen de roulements à billes (44), les roulements à billes maintenant radialement fixe le pivot sur l'anneau rotatif.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque tige radiale (34) est montée au moyen d'une liaison de type vis sans fin dans le pivot de pale (36).
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tige radiale 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 (36) correspondant forme un écrou pour ladite vis à recirculation de billes.
7. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tige radiale (34) comprend à une extrémité radialement extérieure une surface externe (50a) sensiblement cylindrique qui est munie de billes (50b) en saillie coopérant avec des gorges hélicoïdales (36a) formées dans le pivot de pale (36) correspondant.
8. 8. Turbopropulseur comprenant un dispositif (30) de commande de l'orientation des pales de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.