FR3046407A1 - Dispositif a verin fixe pour systeme de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif à vérin fixe pour système de commande (2) de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine, comprenant un corps de vérin (22) logé à l'intérieur d'un carter annulaire (20) de la turbomachine formant support de palier, ledit carter étant centré sur un axe longitudinal (X-X) de la turbomachine et incliné par rapport à celui-ci, le corps de vérin comprenant un volume interne dans lequel est apte à coulisser un anneau de synchronisation (30) séparant le volume interne en deux chambres isolées l'une de l'autre, et une pluralité de tiges de vérin (42) traversant le carter formant support de palier et ayant chacune une extrémité fixée à l'anneau de synchronisation et une extrémité opposée destinée à être reliée à une bague interne (14) d'un palier de transfert de mouvement (10) pour l'entraîner en translation.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des turbomachines équipées d'une ou deux soufflante(s) carénée(s) ou non carénée(s), et plus particulièrement à la commande de l'orientation des pales de soufflante(s) de ces turbomachines.

Un domaine privilégié d'application de l'invention concerne les turboréacteurs à hélice(s), par exemple les « Open Rotor » en anglais, qui comprennent deux hélices contrarotatives placées en aval (version « pusher » en anglais) ou en amont (version « puller » en anglais) du générateur de gaz. Toutefois, l'invention s'applique également aux turbopropulseurs à une ou plusieurs hélices propulsives et aux turbomachines à soufflante carénée.

Dans un turboréacteur à hélice(s), il est connu que l'orientation (ou calage) des pales qui forment ces hélices constitue l'un des paramètres permettant de gérer la poussée du turboréacteur, notamment en faisant fonctionner l'hélice toujours dans les meilleures conditions possibles. En effet, le régime des hélices est quasiment constant sur toutes les phases de fonctionnement, et c'est le calage des pales des hélices qui fait varier la poussée. Ainsi, en phase de vol de croisière, on cherche à obtenir la plus faible puissance possible sur l'arbre de turbine qui est nécessaire pour une traction donnée à une vitesse de l'avion donnée, de sorte à obtenir le meilleur rendement (c'est-à-dire le rendement permettant de minimiser la consommation de carburant et d'augmenter la distance franchissable). A l'inverse, au décollage, la traction la plus forte possible est recherchée afin d'accélérer puis de faire décoller l'avion.

Différents systèmes de commande de l'orientation des pales des hélices du turboréacteur peuvent être envisagés. Un des systèmes connus prévoit de recourir à un vérin axial, relié à un repère fixe (par rapport aux structures du turboréacteur) et centré sur un axe longitudinal de celui-ci. Typiquement, le corps extérieur de ce vérin est relié à la bague interne d'un palier de transfert de mouvement (appelé LTB pour « Load Transfert Bearing ») permettant d'effectuer un mouvement de translation tout en assurant le passage du repère fixe (du vérin) au repère tournant (de l'hélice). Quant à la bague externe du roulement, elle est reliée à des bielles, elles-mêmes reliées aux pales de l'hélice pour réaliser leur calage. On pourra notamment se référer au document WO 2013/050704 qui décrit un exemple de mise en œuvre d'un tel système.

Un autre système connu de commande de l'orientation des pales des hélices du turboréacteur prévoit de recourir à un vérin rotatif, c'est-à-dire tournant par rapport au repère fixe du turboréacteur. Typiquement, le vérin est relié à des doigts, qui sont eux-mêmes reliés aux pales de l'hélice. Ces doigts effectuent ainsi un mouvement combiné de rotation et de translation pour décrire un tracé hélicoïdal autour de l'axe longitudinal du turboréacteur.

Cependant, ces systèmes de commande présentent certains inconvénients. En effet, le système de commande ayant recours à un vérin rotatif est relativement complexe à mettre en œuvre, notamment en ce qui concerne l'effet de la centrifugation de l'huile présente dans la chambre du vérin pour laquelle il est difficile d'anticiper les balourds entraînés par cette rotation. De plus, la précision du calage des pales obtenu par ce système est incertaine. Quant au système de commande utilisant un vérin fixe, il a pour principal inconvénient d'occuper une place importante dans le sens radial. Or, certaines architectures de turboréacteur à soufflante non carénée possèdent une faible disponibilité (dans le sens radial) pour accueillir le vérin fixe de leur système de commande de l'orientation des pales. Ceci est tout particulièrement le cas pour les turboréacteurs dont le rapport de moyeu est faible.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de proposer un dispositif à vérin pour système de commande de l'orientation des pales qui ne présente pas les inconvénients précités.

Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un dispositif à vérin fixe pour système de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine, comprenant : un corps de vérin logé à l'intérieur d'un carter annulaire de la turbomachine formant support de palier, ledit carter étant centré sur un axe longitudinal de la turbomachine et incliné par rapport à celui-ci, le corps de vérin comprenant un volume interne dans lequel est apte à coulisser un anneau de synchronisation séparant le volume interne en deux chambres isolées l'une de l'autre ; et une pluralité de tiges de vérin traversant le carter formant support de palier et ayant chacune une extrémité fixée à l'anneau de synchronisation et une extrémité opposée destinée à être reliée à une bague interne d'un palier de transfert de mouvement pour l'entraîner en translation.

Le dispositif selon l'invention a recours à un carter annulaire de la turbomachine formant support de palier pour loger le corps du vérin. Pour supporter l'arbre de l'hélice en rotation, il est nécessaire de disposer de deux paliers suffisamment écartés l'un de l'autre pour respecter des critères de tenue dynamique. Ces paliers sont typiquement tenus par un carter annulaire de la turbomachine formant support de paliers. Pour que ce carter soit suffisamment rigide tout en ayant une épaisseur (et donc une masse) limitée, il est généralement incliné par rapport à l'axe longitudinal de la turbomachine (par exemple d'au moins 30°), ce qui lui confère une forme conique. L'invention est ici remarquable en ce qu'elle utilise le volume inutilisé à l'intérieur de ce carter formant support de paliers pour y loger le corps de vérin. Comme le corps du vérin de commande de l'orientation des pales de soufflante présente généralement un encombrement axial relativement important (typiquement d'au moins deux fois la course du vérin), le fait de loger cette partie fixe du vérin à l'intérieur du carter formant support de paliers permet de disposer d'un système de commande à très faible encombrement. De plus, le système de commande obtenu comporte relativement peu de pièces (ce qui le rend moins lourd) et présente une grande simplicité en termes de fonctionnement et de montage.

De préférence, le carter formant support de palier comprend une bague externe d'un palier à roulement qui est décalé radialement vers l'intérieur par rapport au corps de vérin et qui est destiné à guider en rotation un anneau rotatif.

Le volume interne du corps de vérin peut être fermé, à l'amont par une paroi munie d'une pluralité de trous traversés par les tiges de vérin, et à l'aval par un capot. Dans ce cas, le capot peut être fixé sur le corps de vérin par l'intermédiaire d'une pluralité de vis réparties autour de l'axe longitudinal de la turbomachine. De même, le capot peut comprendre des créneaux destinés à coopérer avec des crabots du corps de vérin de façon à assurer une étanchéité du volume interne du corps de vérin.

De préférence également, la paroi fermant à l'amont le volume interne du corps de vérin forme une seule et même pièce avec le carter formant support de palier (les tiges de vérin sont montées par le côté ouvert du carter formant support de palier, c'est-à-dire par l'aval, ce qui nécessite que le volume interne soit fermé à l'aval par un capot amovible). Quant aux tiges de vérin, elles peuvent être fixées à l'anneau de synchronisation de la chambre par l'intermédiaire d'écrous vissés sur l'extrémité aval des tiges et sont avantageusement régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal de la turbomachine. L'invention a également pour objet un système de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine, comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif, les pales de soufflante étant couplées, pour le réglage de leur orientation, à un palier de transfert de mouvement destiné à faire pivoter des pivots des pales de soufflante autour de leur axe radial, ledit palier de transfert de mouvement comprenant une bague interne reliée à un dispositif tel que défini précédemment. L'invention a encore pour objet un procédé de montage du dispositif tel que défini précédemment, comprenant, à partir d'un arbre d'hélice préalablement monté sur un carter principal de la turbomachine par l'intermédiaire d'un palier à roulement, l'assemblage des tiges de vérin et de l'anneau de synchronisation sur le corps de vérin logé à l'intérieur du carter formant support de palier, et l'assemblage de cet ensemble sur le carter principal de la turbomachine et l'arbre d'hélice. Un tel procédé de montage présente l'avantage de pouvoir disposer d'un ensemble déjà monté que l'on amène sur le carter principal et l'arbre d'hélice. Le nombre d'étapes du montage peut ainsi être réduit, ce qui simplifie et fluidifie considérablement ces opérations de montage.

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 un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe dans son environnement d'un dispositif à vérin fixe selon l'invention ; - la figure 2 montre plus en détails la structure de la chambre du dispositif de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en perspective et partielle du dispositif de la figure 1.

Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à toute turbomachine équipée d'au moins une soufflante carénée ou non carénée, et dont les pales d'hélice (dans le cas d'une soufflante non carénée) ou les aubes de soufflante (dans le cas d'une soufflante carénée) sont équipées d'un système de changement de pas. L'invention s'applique en particulier aux turbopropulseurs à une ou plusieurs hélices propulsives, ainsi qu'aux turboréacteurs à hélice(s) (appelés « Open Rotor » en anglais) qui comprennent une hélice (et un stator à calage variable pour l'USF - « Unducted Single Fan », soit « soufflante non carénée unique ») ou deux hélices contrarotatives placées en amont (en version « puller » en anglais) ou en aval (en version « pusher » en anglais) du générateur de gaz. L'invention s'applique encore aux turbomachines à soufflante carénée. L'architecture de ces types de turbomachines est bien connue de l'homme du métier et ne sera donc pas décrite ici en détails. Brièvement, ces turbomachines comportent une ou plusieurs hélices (dans le cas d'une turbomachine à soufflante non carénée) ou une soufflante (dans le cas d'une turbomachine à soufflante carénée) constituées chacune d'un ensemble de pales (ou d'aubes) de soufflantes à angle de calage variable, c'est-à-dire que leur orientation peut être modifiée au moyen d'un système de commande de l'orientation des pales décrit ci-après.

La figure 1 représente partiellement un exemple de système de commande 2 de l'orientation des pales d'une hélice d'une turbomachine à soufflante non carénée selon l'invention. Bien entendu, dans le cas d'une turbomachine à soufflante carénée, le principe de l'invention décrit ci-après s'applique de la même manière pour les aubes de soufflante.

Ce système de commande 2 comprend un anneau rotatif 4 (ou moyeu) centré sur Taxe longitudinal X-X de la turbomachine et muni d'orifices 6 au travers duquel sont montés les pivots 8 des pales de soufflante (non représentées sur les figures).

Chaque pivot 8 est couplé, pour le réglage de l'orientation de la pale correspondante, à un palier de transfert de mouvement 10 (appelé également LTB pour « Load Transfert Bearing ») destiné à faire pivoter ledit pivot autour de son axe radial Z-Z. A cet effet, le palier de transfert de mouvement 10 comprend une bague externe 12 et une bague interne 14, ces bagues 12, 14 étant centrées sur l'axe longitudinal X-X de la turbomachine, mobiles en translation le long de cet axe X-X, et définissant des pistes de roulement pour des roulements (ici deux rangées de billes 16 à contact oblique pour transmettre des efforts axiaux dans les deux sens).

La bague externe 12 du palier à transfert de mouvement est couplé, directement ou indirectement, à une extrémité radiale interne des pivots, par exemple au moyen de bras de levier 18. Lorsque la bague interne du palier à transfert de mouvement se déplace axialement sous l'actionnement d'un dispositif à vérin, elle fait pivoter les bras de levier et ainsi les pivots 8 dans les orifices 6 de l'anneau rotatif autour de leur axe radial Z-Z, provoquant de la sorte un pivotement des pales de soufflante.

En amont du dispositif à vérin, la turbomachine comprend également un carter principal 19 portant un palier à roulement à billes 21 destiné à supporter en rotation l'arbre d'hélice 23 qui supporte l'anneau rotatif 4 Cet arbre d'hélice 23 est de préférence entraîné par une turbine et un réducteur (non représentés sur les figures).

Sur ce carter principal 19, est fixé un carter annulaire 20 centré sur l'axe longitudinal X-X de la turbomachine et incliné par rapport à celui-ci d'un angle généralement supérieur à 30° (cette inclinaison étant orientée de sorte à conférer au carter 20 une forme de cône ouvert vers l'aval).

Typiquement, ce carter 20 sert de support pour un palier à roulement 24 destiné à guider en rotation l'anneau rotatif 4. A cet effet, le carter 20 porte la bague externe 24a du palier à roulement 24 (dont la bague interne 24b est solidaire de l'anneau rotatif 4). De plus, le carter 20 et l'anneau rotatif 4 délimitent entre eux une enceinte huile 25 renfermant le dispositif à vérin. Cette enceinte huile 25 est pressurisée en dépression de sorte que l'huile ne s'en échappe pas. Pour limiter les débits de fuite hors de l'enceinte, il est notamment prévu de disposer un joint d'étanchéité 27 en amont des pivots des pales de soufflante, entre un carter aval 23a de l'hélice et le carter principal 19. Des fuites sont possibles au niveau des orifices 6 de l'anneau rotatif 4 dans lesquels sont montés les pivots des pales de soufflante. Ces fuites sont toutefois compensées par les étanchéités de l'enceinte huile. Par ailleurs, cette enceinte huile 25 se prolonge à l'aval du palier à roulement 21 et peut renfermer un réducteur et des étanchéités entre les différents arbres.

Selon l'invention, le dispositif à vérin destiné à assurer un pivotement des pales de soufflante comprend notamment un corps de vérin annulaire 22 qui est centré sur l'axe longitudinal X-X de la turbomachine et qui est logé à l'intérieur de l'espace délimité par le carter 20 formant support de palier.

Le corps de vérin 22 forme une seule et même pièce avec le carter 20 et délimite un volume interne à l'intérieur duquel est apte à coulisser un anneau de synchronisation 30 séparant le volume interne du corps de vérin en deux chambres isolées l'une de l'autre, à savoir une chambre amont 22a et une chambre aval 22b.

Cet anneau de synchronisation 30 joue le rôle de piston en étant apte à coulisser à l'intérieur du volume interne du corps de vérin sous l'effet d'un fluide hydraulique (non représenté) injecté sous pression dans l'une ou l'autre des chambres amont et aval.

Le volume interne du corps de vérin 22 est fermé à l'amont par une paroi 26 munie d'une pluralité de trous 28 répartis autour de l'axe longitudinal X-X de la turbomachine (figure 2). Cette paroi 26 peut avantageusement former une seule et même pièce avec le carter 20 formant support de palier.

Au niveau de son extrémité opposée à la paroi 26 (c'est-à-dire à l'aval), le volume interne du corps de vérin est fermé par un capot 32. Ici, le capot 32 est une pièce indépendante du carter 20 qui présente une forme de couronne vissée sur celui-ci. A cet effet, le carter et le capot présentent chacun des perçages, respectivement 34 et 36, qui sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal X-X de la turbomachine (par exemple au niveau de leur périphérie externe) et qui sont traversés par des vis (non représentés sur les figures).

De plus, afin d'assurer une étanchéité du volume interne du corps de vérin (et éviter toute ouverture intempestive de celui-ci sous l'effet de la pression élevée dans les chambres 22a, 22b), celui-ci comprend, par exemple au niveau de sa périphérie interne, des crabots 38 coopérant avec des créneaux 40 correspondant du capot 32 de façon à assurer une étanchéité du volume interne du corps de vérin dans lequel règne une pression d'huile importante.

Bien entendu, d'autres moyens peuvent être envisagés pour assurer une fixation du capot 32 sur le corps de vérin 22.

Comme représenté également sur la figure 3, le dispositif à vérin selon l'invention comprend également une pluralité de tiges de vérin 42 qui sont montées au travers des trous 28 de la paroi 26 du corps de vérin. Ces tiges de vérin sont de préférence régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal X-X de la turbomachine pour correspondre au besoin en effort de calage. Le nombre de tiges de vérin est un compromis entre l'effort à faire passer dans chaque tige influant directement sur la section de chaque tige et le nombre de tiges influant sur le poids du système. Préférentiellement il y a au moins 4 tiges pour répartir les efforts sur le piston.

Chaque tige de vérin 42 possède une extrémité aval qui est fixée à l'anneau de synchronisation 30 du corps de vérin et une extrémité amont qui est reliée à la bague interne 14 du palier de transfert de mouvement 10 pour l'entraîner en translation.

La fixation des tiges de vérin sur l'anneau de synchronisation peut se faire au moyen d'écrous 44 qui sont serrés sur l'extrémité aval des tiges, celles-ci étant filetées.

De même, au niveau de leur extrémité amont, les tiges de vérin 42 sont reliées à la bague interne 14 du palier de transfert de mouvement au moyen de vis 46 s'étendant selon une direction radiale (figure 1).

Le fonctionnement du dispositif à vérin selon l'invention découle de manière évidente de ce qui précède. Pour procéder à un réglage de l'orientation des pivots des pales de soufflante 8, du fluide hydraulique est injecté sous pression dans l'une ou l'autre des chambres amont et aval 22a, 22b de la chambre, ce qui entraîne un déplacement de l'anneau de synchronisation 30 suivant Taxe longitudinal X-X de la turbomachine. Les tiges 42 translatent alors axialement de manière synchronisée de façon à déplacer le palier à transfert de mouvement 10 vers l'amont ou vers l'aval. A son tour, cette translation du palier entraîne un pivotement des bras de levier 18 résultant en un pivotement synchronisé des pales de soufflante.

Le montage du dispositif à vérin selon l'invention est le suivant. Dans un premier temps, on assemble l'arbre d'hélice 23 au réducteur et le palier à roulement 21 (et son support) au carter principal 19 de la turbomachine. Les tiges de vérin 42 et l'anneau de synchronisation 30 sont alors assemblés sur le corps de vérin 22 et le carter 20 formant support de palier. L'ensemble formé par les tiges de vérin, l'anneau de synchronisation, le corps de vérin, le carter formant support de palier et le palier à roulement 24 peut ensuite être amené axialement de l'amont vers l'aval pour l'assembler sur le carter principal 19 de la turbomachine et l'arbre d'hélice 23. Le palier de transfert de mouvement 10 est alors assemblé avec les tiges de vérin 42. Le carter aval 23a de l'hélice est ensuite assemblé avec l'anneau rotatif 4 et les pivots des pales de soufflante sont montés sur ce carter aval. Les bras de levier 18 et les plots des pivots des pales de soufflante sont ajoutés pour lier les pivots au palier de transfert de mouvement. Enfin, un carter d'hélice amont 23b est assemblé 23c à l'arbre d'hélice 23 par l'intermédiaire d'une liaison cannelée et à l'anneau rotatif 4. Le démontage du dispositif à vérin s'effectue en sens inverse.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif à vérin fixe pour système de commande (2) de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine, comprenant : un corps de vérin (22) logé à l'intérieur d'un carter annulaire (20) de la turbomachine formant support de palier, ledit carter étant centré sur un axe longitudinal (X-X) de la turbomachine et incliné par rapport à celui-ci, le corps de vérin comprenant un volume interne dans lequel est apte à coulisser un anneau de synchronisation (30) séparant le volume interne en deux chambres isolées l'une de l'autre ; et une pluralité de tiges de vérin (42) traversant le carter formant support de palier et ayant chacune une extrémité fixée à l'anneau de synchronisation et une extrémité opposée destinée à être reliée à une bague interne (14) d'un palier de transfert de mouvement (10) pour l'entraîner en translation.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le carter formant support de palier comprend une bague externe (24a) d'un palier à roulement (24) qui est décalé radialement vers l'intérieur par rapport au corps de vérin (22) et qui est destiné à guider en rotation un anneau rotatif (4).
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le volume interne du corps de vérin est fermé, à l'amont par une paroi (26) munie d'une pluralité de trous (28) traversés par les tiges de vérin, et à l'aval par un capot (32).
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le capot (32) est fixé sur le corps de vérin par l'intermédiaire d'une pluralité de vis réparties autour de l'axe longitudinal de la turbomachine.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel le capot (32) comprend des créneaux (40) destinés à coopérer avec des crabots (38) du corps de vérin de façon à assurer une étanchéité du volume interne du corps de vérin.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les tiges de vérin (42) sont fixées à l'anneau de synchronisation (30) par l'intermédiaire d'écrous (44) vissés sur l'extrémité aval des tiges de vérin.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel la paroi (26) fermant à l'amont le volume interne du corps de vérin forme une seule et même pièce avec le carter formant support de palier.
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les tiges de vérin (42) sont régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal de la turbomachine.
9. 9. Système de commande (2) de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine, comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif (4), les pales de soufflante étant couplées, pour le réglage de leur orientation, à un palier de transfert de mouvement (10) destiné à faire pivoter des pivots (8) des pales de soufflante autour de leur axe radial, ledit palier de transfert de mouvement comprenant une bague interne (14) reliée à un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. 10. Procédé de montage du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant, à partir d'un arbre d'hélice (23) préalablement monté sur un carter principal (19) de la turbomachine par l'intermédiaire d'un palier à roulement (21), l'assemblage des tiges de vérin (42) et de l'anneau de synchronisation (30) sur le corps de vérin (22) logé à l'intérieur du carter (20) formant support de palier, et l'assemblage de cet ensemble sur le carter principal (19) de la turbomachine et l'arbre d'hélice (23).