FR3075257A1 - Dispositif de reglage du calage d'une helice - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de réglage du calage (6) d'au moins une pale d'une soufflante (2), la soufflante (2) comprenant :
a. un moyeu (3) configuré pour être entrainé en rotation autour d'un axe longitudinal (X),
b. au moins une pale (5) s'étendant radialement depuis le moyeu (3), ladite pale (5) étant montée à rotation sur le moyeu (3) autour d'un axe radial (Y),
le dispositif de réglage du calage (6) comportant : un moteur (12) configuré pour entrainer en rotation un arbre d'entrainement (15), ledit arbre d'entrainement étant coaxial avec l'axe longitudinal,
un arbre de transmission (18), configuré pour entrainer la pale (5) en rotation autour de l'axe radial (Y); et
un renvoi d'angle (17), configuré pour transmettre un couple de l'arbre d'entrainement (15) à l'arbre de transmission (18).
Description
DISPOSITIF DE REGLAGE DU CALAGE D'UNE HELICE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention concerne le domaine de la propulsion aéronautique.
Elle vise plus particulièrement un module de changement de pas des pales d'une hélice entraînée par une turbomachine, notamment pour une maquette d'essais de turbomachine.
Le changement de pas ou calage variable des pas de pales d'une hélice de turbomachine est l'une des voies pour améliorer les performances et rendements des turbomachines dans différentes conditions de vol.
Il est connu d'équiper des turbomachines telles que des turbopropulseurs à hélices de propulsion par exemple contra rotatives de tels systèmes de changement de pas. Les turbopropulseurs se distinguent des turboréacteurs par l'utilisation d'une hélice à l'extérieur de la nacelle (non carénée) au lieu d'une soufflante interne.
Le système de changement de pas peut également s'appliquer à un turbopropulseur à une hélice de propulsion simple ou encore s'adapter indifféremment à plusieurs hélices.
Le système de changement de pas de chaque hélice est classiquement installé au cœur des parties tournantes avec par exemple un vérin d'entraînement des pieds des pales pour les entraîner en rotation et modifier leur calage. Le vérin annulaire comporte un cylindre monté sur une partie fixe de la turbomachine et un piston relié aux pieds des pales par un mécanisme de liaison. Le déplacement du piston assure le pivotement angulaire souhaité des pales.
Ce type d'architecture présente le défaut de devoir transformer une puissance arrivant de la partie fixe en un mouvement sur la partie tournante de la turbomachine.
Une autre difficulté réside dans le dimensionnement et l'intégration des différents éléments dans cette partie tournante.
D'autre part, le vérin est soumis à d'importants efforts radiaux de la partie tournante qui impliquent des déformations du vérin ainsi que des problèmes d’étanchéité. Ces efforts sont multipliés quand le vérin est tel qu'il participe à un rôle structural.
Les difficultés de dimensionnement sont également dues aux contraintes d'espace limité pour agencer le système de changement de pas, l'agencement et l'équilibrage des roulements, et les passages des chaînes de commande nécessaires au fonctionnement des vérins de chaque hélice.
Ces types de systèmes sont donc particulièrement coûteux et complexes à intégrer.
Dans le cadre du développement de turbomachines, des maquettes d'essai sont classiquement développées et utilisées pour reproduire le comportement en fonctionnement de certains éléments et étudier le fonctionnement de certains sous-systèmes.
Ces maquettes d'essais sont généralement développées à coût réduit et simplifiées par rapport au système global, de manière à étudier l'impact précis d'un nombre de paramètres choisis.
Les systèmes classiques de réglage de calage sont donc trop complexes et onéreux pour permettre leur adaptation à des maquettes expérimentales.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Un premier but de l'invention est de permettre un réglage du calage d'au moins une pale de turbomachine.
Un autre but est de permettre une adaptation et une installation aisée sur une maquette d'étude.
Un autre but est de limiter le coût et la complexité du dispositif de réglage de calage.
Un autre but est de limiter l'émission de champs électromagnétiques pour limiter les interférences dans les appareils de mesure d'une maquette d'essais.
L'invention propose un dispositif de réglage du calage d'au moins une pale d'une soufflante, la soufflante comprenant :
a. un moyeu configuré pour être entraîné en rotation autour d'un axe longitudinal,
b. au moins une pale s'étendant radialement depuis le moyeu, ladite pale étant montée à rotation sur le moyeu autour d'un axe radial, le dispositif de réglage du calage comportant :
un moteur configuré pour entraîner en rotation un arbre d'entrainement, ledit arbre d'entrainement étant coaxial avec l'axe longitudinal, un arbre de transmission, configuré pour entraîner la pale en rotation autour de l'axe radial; et un renvoi d'angle, configuré pour transmettre un couple de l'arbre d'entrainement à l'arbre de transmission.
De cette manière, il est possible de régler le calage d'une pale à l'aide d'un dispositif peu onéreux et facile à adapter et installer.
L'invention peut être optionnellement mais avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le moteur est solidaire du moyeu ; la distribution du mouvement du moteur à la plateforme est donc simplifiée ;
- le dispositif comprend en outre un réducteur à jeu réduit disposé entre l'arbre d'entrainement et le renvoi d'angle ; un changement de sens de rotation du moteur n'entraîne donc pas de temps mort dans la variation du calage ;
- Le dispositif comprend en outre un module de contrôle/commande, le module de contrôle/commande comportant un variateur, une carte de contrôle/commande, un dispositif de communication ; cela permet de commander à distance la variation du calage ;
- le module de contrôle/commande comporte en outre un dispositif d'acquisition configuré pour mesurer la réponse du moteur ; il est donc possible de réaliser un asservissement du calage en fonction d'une consigne ;
- le dispositif de communication comporte un dispositif d'émission/réception infrarouge ; il est donc possible de de commander le réglage du calage sans transmission d'informations par câble, tout en limitant l'émission de champs électromagnétiques ;
- Le dispositif comprend en outre un dispositif de stockage d'énergie configuré pour alimenter le moteur ; le moteur n'a donc pas besoin d'être raccordé à une alimentation externe au dispositif, simplifiant la structure et l'installation du dispositif ;
- le module de contrôle/commande et le dispositif de stockage d'énergie sont positionnés de manière à équilibrer les charges et ainsi limiter le balourd lors de la rotation du moyeu ;
- le dispositif comprend en outre au moins une masse d'équilibrage et au moins une masselotte, la masse d'équilibrage étant fixe par rapport au moyeu et positionnée dans une zone comprise entre 5% et 50% du rayon du moyeu, la masselotte étant fixée sur le moyeu et étant positionnée sur le pourtour du moyeu ; les modes propres de vibrations du moyeu sont donc déplacés des fréquences de fonctionnement grâce à la masse d'équilibrage, tout en limitant l'inertie par leur positionnement, et en permettant un équilibrage fin du moyeu au moyen de la masselotte ;
- le moteur est du type moteur électrique à frein à manque de courant et est configuré pour être bloqué en position lorsqu'il n'est pas alimenté ; le calage est donc maintenu lorsque le moteur n'est pas alimenté, ce qui limite la consommation énergétique du moteur.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose une maquette expérimentale comportant un châssis et une soufflante, la soufflante comprenant :
o un moyeu configuré pour être entraîné en rotation autour d'un axe longitudinal, o au moins une pale s'étendant radialement depuis le moyeu, ladite pale étant montée à rotation sur le moyeu autour d'un axe radial, la maquette expérimentale comportant en outre un tel dispositif de réglage de calage.
Le coût et la complexité de la maquette sont donc réduits tout en permettant de simuler le comportement d'une soufflante à calage variable, permettant ainsi d'étudier le comportement de soussystèmes de telles soufflantes dans des conditions proches des conditions d'utilisation.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est un modèle 3D d'une turbomachine à soufflantes non carénées ;
- la figure 2 est un modèle 3D s'une maquette d'essais conforme à l'invention ;
- la figure 3 est un modèle 3D d'un dispositif de réglage de calage conforme à l'invention ; plus précisément la figure 3a est centrée sur un moyen de transmission de puissance d'un moteur vers une plateforme ; la figure 3b est une vue générale du dispositif de réglage de calage ;
- la figure 4 est un schéma bloc représentant le fonctionnement d'une chaîne de commande d'un dispositif de réglage de calage conforme à l'invention.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE RÉALISATION
L'invention s'applique à une turbomachine 1 comprenant une soufflante 2 (ou hélice) non carénée, la soufflante 2 comprenant :
a. un moyeu 3 configuré pour être entraîné en rotation autour d'une axe longitudinal X,
b. au moins une pale 5 s'étendant radialement depuis le moyeu 3, ladite pale 5 étant montée à rotation sur le moyeu 3 autour d'un axe radial Y.
On notera que, dans ce qui suit, les termes « soufflante » et hélice sont considérés comme des synonymes, l'invention s'appliquant mutatis mutandis à ces deux types d'ensembles.
Une turbomachine 1 à hélices non carénées, également désignée par sa dénomination anglaise d'« Open Rotor », peut présenter au moins une ou deux soufflantes 2, pouvant alors être contrarotatives.
Les soufflantes 2 s'étendent selon un axe longitudinal X et présentent une pluralité de pales 5 s'étendant chacune selon un axe radial Y qui lui est propre.
Le calage, c'est-à-dire l'angle de rotation d'une pale 5 autour de l'axe Y selon lequel elle s'étend, est réglable en fonction des phases de vol.
La pale 5 s'étend radialement à partir de la plateforme 4. La plateforme 4 est montée à rotation sur le moyeu 3.
Afin de faire varier le calage des pales 5, la turbomachine 1 comporte un dispositif de réglage du calage 6 des pales 5, configuré pour entraîner en rotation les plateformes 4 pour modifier ou maintenir le calage des pales 5 en fonction d'une commande donnée.
Dans ce qui suit, l'invention sera plus particulièrement décrite dans le cas où une maquette expérimentale 7, illustrée en figure 2, est configurée pour simuler le comportement d'un dispositif de réglage du calage 6 d'une soufflante 2 non carénée.
La maquette expérimentale 7 comprend une soufflante 2. On comprendra bien entendu que l'invention s'applique également à une maquette expérimentale comportant un nombre de soufflantes différent, ou à une turbomachine comportant une ou plusieurs soufflantes.
La maquette expérimentale 7 étant configurée pour étudier et affiner le comportement de divers sous-systèmes, comme par exemple le dispositif de réglage du calage 6, elle ne comporte pas nécessairement de pales 5 pour réaliser ces essais. Des pales 5 peuvent cependant être assemblées sur les plateformes 4 en fonction des besoins des essais.
La maquette 7 comporte un bâti 8 sur lequel est monté en rotation le moyeu 3.
La maquette expérimentale 7 comporte un moteur 9 et un volant 10 monté à rotation sur le bâti 8, le moteur entraînant le volant 10 en rotation selon l'axe X.
Le moyeu 3 comporte un corps 11 creux globalement cylindrique s'étendant selon l'axe X, le corps 11 étant fixé au volant 10, permettant donc l'entraînement en rotation du moyeu 3 selon l'axe longitudinal X.
L'invention concerne un dispositif 6 de modification du calage des pales 5, le dispositif 6 comportant un moteur 12 et un moyen de transmission 13 configuré pour transmettre le mouvement du moteur 12 à la plateforme 4.
Le dispositif 6 de modification de calage est logé dans le corps 11 du moyeu 3, positionné préférentiellement au niveau de l'axe de rotation X du moyeu 3, de manière à éviter les problèmes de balourd lorsque le moyeu 3 est entraîné en rotation.
Dans le mode de réalisation illustré en figure 3a et 3b, le moteur 12 est positionné de manière à être coaxial au moyeu 3.
Le moteur 12 comporte un stator 14 et un arbre d'entraînement 15 (non représenté).
L'arbre d'entraînement 15 est lié au moyen de transmission 13.
Le moyen de transmission 13 comprend, dans ce mode de réalisation, un réducteur à jeu réduit 16 et un ensemble de renvoi d'angle 17.
Le renvoi d'angle 17 est configuré pour entraîner au moins un élément en rotation selon un axe radial Y à partir d'un mouvement de rotation selon l'axe longitudinal X du moyeu 3.
En sortie du renvoi d'angle 17, un arbre de transmission 18 s'étend radialement entre le renvoi d'angle 17 et la plateforme 4.
L'arbre de transmission 18 est fixé à la plateforme 4.
Le stator 14 est lié rigidement au moyeu 3 au moyen d'une armature
19.
L'armature 19 comporte des éléments radiaux 20 s'étendant entre le corps 11 du moyeu 3 et le stator 14, les éléments radiaux 20 étant fixés au stator 14 et au corps 11 du moyeu 3 au moyen d'éléments de fixation 21.
Dans le mode de réalisation illustré, l'armature 19 comporte également des éléments de guidage en rotation 22.
L'arbre de transmission 18 s'étend le long de l'élément radial 20, l'élément radial 20 comportant des éléments de guidage en rotation 22 configurés pour guider en rotation l'arbre de transmission 18 et ainsi reprendre les efforts tangentiels subis par l'arbre de transmission 18.
Optionnellement, le moteur 12 comporte un moteur électrique équipé d'un codeur absolu, le pas de commande du moteur pouvant être compris entre 0,01° et 0,1°. Le pas de commande de la plateforme 4 peut être compris entre 0,05° et 0,5°.
Le moteur électrique peut également comporter un système de frein à manque de courant, configuré pour bloquer la position de l'arbre d'entraînement 15, et donc le calage de la plateforme 4 (c'est-à-dire celui de la pale 5 quand il y en a une) lorsque le moteur n'est pas alimenté. De cette manière, la consommation du dispositif de réglage du calage 6 est limitée.
Le dispositif de réglage du calage 6 peut également comporter un dispositif de stockage d'énergie 23 configuré pour alimenter le moteur 12. Ce dispositif de stockage d'énergie 23 peut comprendre une batterie, ou un dispositif de stockage d'énergie cinétique.
Le dispositif de réglage de calage 6 peut également comporter un module de contrôle/commande 24 configuré pour asservir le moteur 12, et donc asservir le calage de la plateforme 4 ou la pale 5.
Dans un mode de réalisation, le module de contrôle/commande 24 comporte un variateur 25, une carte de contrôle/commande 26 et un dispositif de communication 27.
Le dispositif de communication 27 est configuré pour recevoir les consignes de variations de calage émises par un dispositif de contrôle 29, et pour transmettre les consignes reçues à la carte de contrôle/commande 26, selon le fonctionnement schématisé en figure 4.
Le dispositif de contrôle 29 est structurellement déporté du module de contrôle commande 24, étant externe au moyeu 3.
Optionnellement, le dispositif de communication 27 comporte un dispositif d'émission/réception infrarouge, de manière à permettre l'émission et la réception de données à haute fréquence. Le cadencement de l'émission ou l'acquisition des données peut être compris entre 500Hz et 5KHz.
Ce dispositif infrarouge peut être positionné de manière coaxiale à l'axe X de rotation du moyeu 3, de manière à permettre l'émission d'un signal selon un axe fixe alors que le système infrarouge est solidaire d'un élément mobile.
Le dispositif de contrôle 29 peut comporter un système infrarouge similaire placé en regard de celui du dispositif de communication 27, de manière à communiquer les consignes et recevoir des informations du module de contrôle/commande 24.
La carte de contrôle/commande 26 est configurée pour transmettre des commandes au variateur 25 en fonction des consignes reçues du dispositif de communication 27.
Le variateur 25 est configuré pour moduler la puissance d'entrée du moteur 12 en fonction des commandes reçues de la carte de contrôle/commande 26.
Optionnellement, le module de contrôle/commande 24 peut comporter un dispositif d'acquisition 28, comportant un capteur de puissance et un capteur de position configurés pour asservir la réponse du moteur 12 en fonction de la consigne reçue du dispositif de communication 27.
Le module de contrôle/commande 24 et ses composants peuvent être positionnés au niveau de l'axe de rotation X du moyeu 3, de manière à éviter la prise de balourd lors de la rotation du moyeu 3.
Ils peuvent être fixés au stator 14, à l'armature 19 ou à un élément de fixation 21 grâce à une résine, de manière à éviter tout déplacement lorsque le module de contrôle/commande 24 est soumis à un effet centrifuge.
Le positionnement relatif du moteur 12, de l'armature 19, du dispositif de stockage d'énergie 23 et du module de contrôle/commande 24 est configuré de manière à optimiser l'équilibrage du moyeu 3, afin notamment d'éviter les vibrations et les phénomènes de balourd lors de la rotation du moyeu 3.
Optionnellement, le dispositif de stockage d'énergie 23 et le module de contrôle commande 24 sont fixés l'un à l'autre, ou attachés à un même élément d'assemblage, l'élément d'assemblage étant configuré pour positionner le dispositif de stockage d'énergie 23 et le module de contrôle commande 24 au niveau de l'axe de rotation X du moyeu 3.
Il est entendu par « au niveau de l'axe de rotation X du moyeu 3 » que le centre de gravité de l'ensemble comportant le dispositif de stockage d'énergie 23 et le module de contrôle commande 24 est positionné dans une zone comprise entre 0% et 10% du rayon du moyeu 3.
Optionnellement, le centre de gravité du dispositif de stockage d'énergie 23 et le centre de gravité du module de contrôle commande 24 sont alignés et centrés sur l'axe de rotation X du moyeu 3.
Optionnellement, le volant 10 peut comporter des logements pour y fixer des masses d'équilibrage 30, de manière à équilibrer la maquette expérimentale 7, déplacer ses modes de résonnance ou étudier le comportement d'éléments supplémentaires apportés au moyeu 3, notamment lorsqu'ils sont soumis à un effet centrifuge, ou lorsque la plateforme 4 est en mouvement.
Les masses d'équilibrage 30 peuvent être positionnées à proximité de l'axe de rotation X du moyeu 3, par exemple dans une zone comprise entre 10% et 50% du rayon du moyeu 3, dans le but d'équilibrer la maquette 7 tout en limitant l'augmentation de l'inertie du volant 10.
Les masses d'équilibrage 30 peuvent également être dimensionnées de manière à déplacer les fréquences des modes de résonnance de la maquette 7, de manière à éviter d'exciter ces modes propres lors d'une session d'essais.
Optionnellement, le moyeu 3 peut comporter des éléments d'assemblage pour y fixer des masselottes 31, de manière à équilibrer la maquette expérimentale 7.
Les masselottes 31 peuvent être positionnées sur le pourtour du moyeu 3. Par pourtour, il est entendu que les masselottes 31 sont fixées sur la surface cylindrique du corps 11 du moyeu 3.
Les masselottes 31 peuvent présenter une masse limitée, de manière à permettre un réglage fin de l'équilibrage du moyeu 3.
Optionnellement, la soufflante 2 comporte un deuxième arbre de transmission 18, relié à une plateforme 4 sur laquelle est installée une deuxième pale 5.
Ce deuxième arbre de transmission 18 peut ne pas être relié à un renvoi d'angle, et peut ainsi être positionnable à la main à l'arrêt.
Optionnellement, la maquette 7 peut comporter un ou plusieurs capteurs de vibrations configurés pour déclencher un arrêt d'urgence lorsque le signal qu'ils délivrent dépasse un certain seuil prédéfini.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de réglage du calage (6) d'au moins une pale d'une soufflante (2), la soufflante (2) comprenant :a. un moyeu (3) configuré pour être entraîné en rotation autour d'un axe longitudinal,b. au moins une pale (5) s'étendant radialement depuis le moyeu (3), ladite pale (5) étant montée à rotation sur le moyeu (3) autour d'un axe radial (Y), le dispositif de réglage du calage (6) comportant :un moteur (12) configuré pour entraîner en rotation un arbre d'entrainement (15), ledit arbre d'entrainement étant coaxial avec l'axe longitudinal, un arbre de transmission (18), configuré pour entraîner la pale (5) en rotation autour de l'axe radial (Y); et un renvoi d'angle (17), configuré pour transmettre un couple de l'arbre d'entrainement (15) à l'arbre de transmission (18).
- 2. Dispositif de réglage du calage (6) selon la revendication 1, dans lequel le moteur (12) est solidaire du moyeu (3).
- 3. Dispositif de réglage du calage (6) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un réducteur à jeu réduit (16) disposé entre l'arbre d'entrainement (15) et le renvoi d'angle (17).
- 4. Dispositif de réglage du calage (6) selon l'une des revendications 1 à3, comprenant en outre un module de contrôle/commande (24), le module de contrôle/commande (24) comportant un variateur (25), une carte de contrôle/commande (26) et un dispositif de communication (27).
- 5. Dispositif de réglage du calage (6) selon la revendication 4, dans lequel le module de contrôle/commande (24) comporte en outre un dispositif d'acquisition (28) configuré pour mesurer la réponse du moteur (12).
- 6. Dispositif de réglage du calage (6) selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel le dispositif de communication (27) comporte un dispositif d'émission/réception infrarouge.
- 7. Dispositif de réglage du calage (6) selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un dispositif de stockage d'énergie (23) configuré pour alimenter le moteur (12).
- 8. Dispositif de réglage du calage (6) selon la revendication 7 prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le module de contrôle/commande (24) et le dispositif de stockage d'énergie (23) sont positionnés de manière à équilibrer les charges et ainsi limiter le balourd lors de la rotation du moyeu (3).
- 9. Dispositif de réglage du calage (6) selon l'une des revendications 1 à8, comprenant en outre au moins une masse d'équilibrage (30) et/ou au moins une masselotte (31), la masse d'équilibrage (30) étant fixe par rapport au moyeu (3) et positionnée dans une zone comprise entre 5% et 50% du rayon du moyeu (3), la masselotte (31) étant fixée sur le moyeu (3) et étant positionnée sur le pourtour du moyeu (3).
- 10. Dispositif de réglage du calage (6) selon l'une des revendications 1 à9, dans lequel le moteur est du type moteur électrique à frein à manque de courant et est configuré pour être bloqué en position lorsqu'il n'est pas alimenté.
- 11.Maquette expérimentale comportant un châssis et une soufflante (2), la soufflante (2) comprenanta. un moyeu (3) configuré pour être entraîné en rotation autour d'un axe longitudinal,5 b. au moins une pale (5) s'étendant radialement depuis le moyeu, ladite pale étant montée à rotation sur le moyeu (3) autour d'un axe radial (Y), la maquette expérimentale comportant en outre un dispositif de réglage de calage (6) selon l'une des revendications 1 à 10.
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| FR1762180A FR3075257B1 (fr) | 2017-12-14 | 2017-12-14 | Dispositif de reglage du calage d'une helice |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110723312A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-24 | 北京机电工程研究所 | 一种舵机加载装置 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR937558A (fr) * | 1945-10-09 | 1948-08-20 | Perfectionnements aux hélices d'aéronefs à pas variable et réversible, et à leur dispositif de commande | |
| US4738591A (en) * | 1986-09-09 | 1988-04-19 | General Electric Company | Blade pitch varying mechanism |
| US5242265A (en) * | 1990-07-23 | 1993-09-07 | General Electric Company | Aircraft pitch change mechanism |
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-
2017
- 2017-12-14 FR FR1762180A patent/FR3075257B1/fr active Active
Patent Citations (8)
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| CN110723312A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-24 | 北京机电工程研究所 | 一种舵机加载装置 |
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| Publication number | Publication date |
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| FR3075257B1 (fr) | 2021-02-19 |
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