FR3108670A1

FR3108670A1 - Module de soufflante pour un banc d’essai de turbomachine d’aeronef

Info

Publication number: FR3108670A1
Application number: FR2003206A
Authority: FR
Inventors: Raphaël LAROCHE Clément
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: FR3108670B1

Abstract

Module de soufflante (30) pour un banc d’essai de turbomachine d’aéronef, ce module comportant : - un arbre d’entraînement (32) mobile en rotation autour d’un axe X, - un disque (34) de soufflante centré sur l’axe X, - des aubes (36) de soufflante portées par le disque et s’étendant chacune le long d’un axe Y sensiblement radial par rapport audit axe X, et - un anneau de commande (38) mobile en rotation autour de l’axe X et engrené avec des pieds (38a) des aubes pour contrôler leur calage angulaire autour de leurs axes Y, caractérisé en ce que ledit disque comprend au moins deux éléments annulaires (34a, 34b) coaxiaux fixés l’un à l’autre et définissant entre eux des logements (40) de montage des pieds (38a) des aubes, ainsi qu’une cavité annulaire (42) de montage de l’anneau (38). Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

MODULE DE SOUFFLANTE POUR UN BANC D’ESSAI DE TURBOMACHINE D’AERONEF

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne un module de soufflante pour un banc d’essai de turbomachine d’aéronef.

Arrière-plan technique

L’arrière-plan technique comprend notamment les documents FR-B1-2 712 250, FR-B1-2 914 944, FR-B1-2 947 588 et FR-B1-3 004 255.

Une turbomachine d’aéronef comprend classiquement depuis l’amont jusqu’à l’aval, par référence à l’écoulement des gaz dans la turbomachine, une soufflante, un ou plusieurs compresseurs, une chambre annulaire de combustion, une ou plusieurs turbines et une tuyère d’échappement de gaz de combustion.

Pour faciliter sa fabrication et son assemblage, une turbomachine est en général modulaire c’est-à-dire qu’elle comprend plusieurs modules qui sont fabriqués indépendamment les uns des autres et qui sont assemblés ensuite les uns aux autres. La modularité d’une turbomachine facilite en outre sa maintenance.

Dans la présente demande, on entend par « module de soufflante », un module de turbomachine qui comprend notamment une soufflante et son arbre d’entraînement.

La figure 1 montre un exemple de module de soufflante 10 de turbomachine d’aéronef. Le module 10 comprend une soufflante 12 et un arbre d’entraînement 14.

L’arbre d’entraînement 14 est mobile en rotation autour d’un axe X et fait par exemple partie d’un corps basse pression de la turbomachine qui comprend un compresseur basse pression et une turbine basse pression.

La soufflante 12 comporte un disque 16 centré sur l’axe X et portant des aubes 18. Chaque aube 18 comprend un pied 18a engagé dans un logement du disque 16 et une pale 18b qui s’étend sensiblement radialement vers l’extérieur depuis le disque 16, le long d’un axe Y.

Les aubes 18 sont du type à calage variable c’est-à-dire qu’elles peuvent être calées dans une position prédéterminée autour de leurs axes Y respectifs afin d’adapter et d’optimiser cette position en fonction du régime de la turbomachine par exemple.

De manière classique, le calage angulaire des aubes 18 est contrôlé par un anneau de commande 20 qui s’étend autour de l’axe X et est accouplé, par exemple par engrènement, avec les pieds 18a des aubes 18. L’anneau de commande 20 est mobile en rotation autour de l’axe X. Le déplacement en rotation de l’anneau 20 autour de l’axe X entraîne un déplacement en rotation des aubes 18 autour de leurs axes Y. Les aubes 18 adoptent alors une même position angulaire autour de leurs axes Y respectifs. En pratique, elles pourraient être déplacées sur plus de 90° autour de leurs axes Y, depuis une position « drapeau » dans lesquelles leurs pales sont sensiblement alignées avec l’axe X, et une position « inverseur » (de l’anglais « reverse ») dans lesquelles elles sont aptes à générer un flux d’air inversé par rapport au sens d’écoulement du flux d’air dans la turbomachine.

Un banc d’essai de turbomachine comprend de nombreux équipements de prise de mesures. Ces équipements sont encombrants et il peut être problématique de les monter dans un module de soufflante comportant un système de calage angulaire des aubes de soufflante. Il est en effet important que le système de calage variable n’interfère pas avec les prises de mesures, en particulier du comportement des aubes de soufflante, et que ce système puisse supporter les efforts de poussée en fonctionnement « inverseur ».

Des solutions ont déjà été proposées pour tenter de résoudre cette problématique. Cependant, ces solutions ne sont pas entièrement satisfaisantes en particulier car elles ne permettent pas de garantir une tenue mécanique des pièces et de l’assemblage à tous les régimes de fonctionnement de la turbomachine. Par ailleurs, ces solutions ne permettent pas d’avoir une précision suffisante dans le calage des aubes et impliquent une durée importante de manipulation du banc d’essai et des incertitudes sur les mesures prises par les équipements de ce banc d’essai.

La présente invention propose une solution à ce problème, qui est simple, efficace, et économique.

L’invention concerne un module de soufflante pour un banc d’essai de turbomachine d’aéronef, ce module comportant un module de soufflante pour un banc d’essai de turbomachine d’aéronef, ce module comportant :

- un arbre d’entraînement mobile en rotation autour d’un axe X,

- un disque de soufflante centré sur l’axe X,

- des aubes de soufflante portées par le disque et s’étendant chacune le long d’un axe Y sensiblement radial par rapport audit axe X, et

- un anneau de commande mobile en rotation autour de l’axe X et engrené avec des pieds des aubes pour contrôler leur calage angulaire autour de leurs axes Y,

caractérisé en ce que ledit disque comprend au moins deux éléments annulaires coaxiaux fixés l’un à l’autre et définissant entre eux des logements de montage des pieds des aubes et de rotation autour des axes Y de ces pieds, ainsi qu’une cavité annulaire de montage de l’anneau et de rotation autour de l’axe X de cet anneau.

L’invention propose ainsi de loger les pieds des aubes et l’anneau de commande angulaire des aubes entre deux éléments annulaires du disque. Cette invention permet de résoudre de nombreux problèmes parmi lesquels celui de la tenue mécanique de l’assemblage. Le disque est mobile en rotation autour de l’axe X. L’anneau est porté par le disque et tourne autour de l’axe X. Il est par ailleurs mobile autour de cet axe X vis-à-vis du disque pour pouvoir déplacer en rotation les aubes autour de leurs axes Y. L’anneau ne risque pas de se désolidariser du disque du fait qu’il est logé dans une cavité du disque. Une fois l’assemblage réalisé, il n’y a pas de risque de déplacements relatifs involontaires des pièces les unes par rapport aux autres, ce qui permet de garantir une bonne précision dans le calage angulaire des aubes.

Le module selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- un palier, de préférence lisse, est intercalé entre l’anneau de commande et une surface cylindrique externe de la cavité ;

- l’anneau de commande comprend une denture, par exemple tronconique, d’engrènement avec des pignons, par exemple tronconiques, portés par les pieds des aubes ;

- les pignons sont formés d’une seule pièce avec les pieds des aubes ;

- les pignons sont rapportés et fixés sur les pieds des aubes ;

- le module comprend en outre un moteur dont un arbre de sortie est engrené avec l’anneau de commande ;

- le module comprend en outre une balance de poussée centrée sur l’axe X, le disque de soufflante étant fixé à l’arbre d’entraînement par cette balance de poussée ;

- le disque de soufflante comprend des orifices de montage de pions qui sont configurés pour coopérer avec l’anneau de commande afin de l’immobiliser le long de l’axe X dans une position prédéterminée par rapport aux pieds des aubes ;

- les pions sont parallèles à l’axe X ou à l’axe Y ;

- les pions comprennent un corps cylindrique dont une extrémité est biseautée et configurée pour coopérer avec un pan incliné de l’anneau de commande, le corps comportant un alésage central traversant de montage d’une vis de fixation du corps au disque ;

- l’un des pions comprend une excroissance en saillie sur son extrémité biseautée, cette excroissance étant configurée pour être engagée dans un évidement de l’anneau de commande afin de le bloquer en rotation autour de l’axe X.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

La figure 1 est une vue schématique en perspective d’un module de soufflante d’une turbomachine d’aéronef, selon la technique antérieure à la présente invention ;

La figure 2 est une demi vue schématique partielle en coupe axiale d’un module de soufflante selon un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 3 est une vue schématique en perspective du pied d’une aube de soufflante, et du pignon qu’il porte ;

La figure 4 est une vue schématique en perspective d’un anneau de commande et du pied d’une aube de soufflante ;

La figure 5 est une vue schématique en perspective d’un anneau de commande, des pieds de plusieurs aubes de soufflante, ainsi que d’un arbre de sortie d’un moteur d’entraînement de l’anneau ;

La figure 6 est une demi vue schématique partielle en coupe axiale d’un module selon une variante de réalisation de l’invention ;

La figure 7 est une demi vue schématique partielle en coupe axiale d’un module selon une autre variante de réalisation de l’invention ;

La figure 8 est une vue schématique en perspective d’un module selon une variante de réalisation de l’invention ; et

La figure 9 est une vue schématique en perspective d’un pion du module de la figure 8.

Description détaillée de l'invention

La figure 1 a déjà été décrite dans ce qui précède.

La figure 2 représente un mode de réalisation d’un module de soufflante 30 pour un banc d’essai d’une turbomachine d’aéronef, par exemple du type à double corps et double flux.

Le banc d’essai peut comprendre le module 30 voire également d’autres modules de la turbomachine. Il peut également comprendre la turbomachine dans sa globalité.

L’intérêt d’un banc d’essai est, comme son nom l’indique, de procéder à des essais de fonctionnement d’un ou plusieurs modules de la turbomachine.

Le module de soufflante 30 comprend classiquement :

- un arbre d’entraînement 32 mobile en rotation autour d’un axe X,

- un disque 34 de soufflante centré sur l’axe X,

- des aubes 36 de soufflante portées par le disque 34 et s’étendant chacune le long d’un axe Y sensiblement radial par rapport à l’axe X, et

- un anneau de commande 38 mobile en rotation autour de l’axe X et engrené avec des pieds 36a des aubes 36 pour contrôler leur calage angulaire autour des axes Y,

Selon l’invention, le disque 34 comprend au moins deux éléments annulaires 34a, 34b coaxiaux fixés l’un à l’autre et définissant entre eux des logements 40 de montage des pieds 36a des aubes 36 et de rotation autour des axes Y de ces pieds, ainsi qu’une cavité annulaire 42 de montage de l’anneau 38 et de rotation autour de l’axe X de cet anneau.

Les différents éléments du module 30 vont maintenant être décrits dans le détail les uns après les autres.

L’arbre 32 peut être un arbre basse pression de la turbomachine, qui relie le rotor d’un compresseur basse pression à un rotor d’une turbine basse pression.

Le disque de soufflante 34 est entraîné en rotation par l’arbre 32 et est donc solidaire en rotation de ce dernier. Dans l’exemple représenté, le disque 34 est solidarisé à l’arbre 32 par l’intermédiaire d’une balance de poussée 44.

La balance de poussée 44 ne fait partie de l’invention et ne sera pas décrite dans le détail. Pour l’essentiel, elle a une forme annulaire et comprend deux parties ou périphéries, respectivement interne et externe, qui sont reliées entre eux par des éléments de liaison équipés de capteurs du type dynamomètres, jauges de contraintes, etc. Ces capteurs sont de préférence configurés pour mesurer les efforts et moments de la soufflante dans toutes les directions.

La balance de poussée 44 est montée autour de l’arbre 32 et accouplée à celle-ci par exemple par l’intermédiaire de cannelures 46.

Le disque 34 s’étend autour de la balance de poussée 44 et ses deux éléments 34a, 34b comprennent chacun une bride annulaire interne 48 de fixation, par exemple par l’intermédiaire de vis 50, à la balance de poussée 44.

L’élément 34a est par exemple situé à l’amont et l’élément 34b est donc situé à l’aval.

Chaque aube de soufflante 36 comprend un pied 36a et une pale 36b. Le pied 36a d’une pale est représenté à plus grande échelle à la figure 3 et comprend au moins une surface cylindrique externe 52 qui définit l’axe Y de calage de l’aube 36 et un pignon 54 d’engrènement avec l’anneau de commande 38.

Le pignon 54 peut être formé d’une seule pièce avec le pied 36a. Dans la variante de réalisation de la figure 3, le pignon 54 est rapporté et fixé sur l’extrémité libre du pied 36a. Pour cela, le pignon 54 comprend un orifice central 54a non circulaire et conformé pour recevoir l’extrémité libre du pied 36a qui a une forme complémentaire à cet orifice. Le fait de rapporter le pignon 54 sur chaque aube 36 permet une meilleure maitrise des côtes et du calage. Ceci limite donc les défauts d’orientation entre plusieurs aubes en simplifiant le processus de fabrication.

Comme cela est visible à la figure 2, la surface 52 de chaque pied d’aube est engagée dans une partie cylindrique du logement 40 du disque 34, cette partie cylindrique comportant une moitié formée par le premier élément 34a du disque et une autre moitié formée par le second élément 34b du disque.

Les pignons 54 sont situés dans une autre partie du logement 40 qui débouche dans la cavité 42, de façon à ce que les pignons puissent être mis en prise avec l’anneau de commande 38.

L’anneau 38 est de préférence formé d’une seule pièce. Il s’étend autour de l’axe à l’intérieur de la cavité 42.

Dans l’exemple représenté, l’anneau 38 est centré et guidé par un palier 56 sur une surface cylindrique externe de la cavité 42. Pour limiter l’encombrement de ce palier 56, en particulier en direction radiale, il peut être du type lisse et peut être constitué par exemple d’un matériau gras ou autolubrifiant.

La figure 4 montre l’engrènement du pignon 54 d’une aube 36 avec l’anneau de commande 36. Le pignon 54 peut être à denture droite comme illustré à la figure 3 ou à denture conique ou tronconique comme illustré aux figures 2 et 4.

La figure 5 montre l’engrènement des pignons 54 de plusieurs aubes 36 avec l’anneau de commande 38. Les aubes 36 sont réparties autour de l’axe X.

L’anneau de commande 38 est entraîné en rotation autour de l’axe X et du disque 34 par l’intermédiaire d’un moteur, de préférence électrique, qui n’est pas représenté. Ce moteur comprend un arbre de sortie 58 dont une extrémité libre porte un pignon 58a engrené avec l’anneau de commande 38.

La figure 5 montre que le pignon 58a peut être disposé entre deux pignons 54 adjacents et que l’arbre de sortie 58 du moteur peut s’étendre le long d’un axe radial Z à l’axe X.

En variante, le déplacement en rotation de l’anneau 36 pourrait être réalisé manuellement et non pas via un moteur. Un opérateur peut par exemple déplacer en rotation une aube 36 autour de son axe Y de façon à entraîner en rotation l’anneau 38 vis-à-vis du disque 34. Les autres aubes 36 seront alors déplacées simultanément autour de leurs axes Y du fait de l’engrènement de leurs pignons 54 avec l’anneau 38.

Pour assurer une précision optimale du calage angulaire des aubes 36 et figer ce calage lors de tests, il peut être important de maintenir fixe la position de l’anneau de commande 38 vis-à-vis des pignons 54 des aubes 36. C’est notamment le cas de la position de l’anneau 38 autour de l’axe X mais aussi de la position axiale de l’anneau 38 vis-à-vis des pignons 54.

Pour atteindre cet objectif, l’invention propose des moyens de blocage axial et/ou circonférentiel de l’anneau 38 dans la cavité 42 du disque 34.

Dans l’exemple représenté aux figures 6 à 9, le disque 34 comprend des orifices 60 de montage de pions 62 qui sont configurés pour coopérer avec l’anneau 38 afin de l’immobiliser le long de l’axe X dans une position prédéterminée par rapport aux pieds 36a des aubes 36.

Les pions 62 peuvent être montés parallèlement à l’axe X ou à des axes Y. On comprend donc que les orifices 60 s’étendant soit parallèlement à l’axe X, soit parallèlement à des axes Y.

Le nombre d’orifices 60 et de pions 62 est compris entre 2 et 10 et est par exemple de 4, comme illustré à la figure 8. Ils sont régulièrement répartis autour de l’axe X et sont engagés dans les orifices 60 jusqu’à ce qu’une de leurs extrémités libres prennent appui sur l’anneau de commande 38.

Dans le cas où les pions 62’ s’étendent le long de l’axe X, leurs extrémités libres peuvent prendre appui sur une surface radiale amont 38a du disque 38, comme illustré dans la partie gauche de la figure 7. Ces pions 62’ peuvent se présenter sous la forme de vis.

Dans le cas où les pions 62’’ s’étendent le long d’axes Y, leurs extrémités libres peuvent prendre appui sur une surface cylindrique externe 38b du disque 38 ou être engagées dans des orifices 64 de l’anneau 38, comme illustré dans la partie supérieure de la figure 7. Ces pions 62’’ peuvent se présenter sous la forme de vis.

Les figures 6, 8 et 9 illustrent un mode préféré de réalisation des pions 62 qui comprennent un corps tubulaire cylindrique 66 dont une extrémité 66a est biseautée et destinée à prendre appui sur une surface tronconique 38c formant un pan incliné de l’anneau de commande 38.

Chaque pion 62 s’étend le long d’un axe Y et comprend un alésage interne dans lequel est monté une vis 68 de fixation du pion au disque 34.

Avant le montage des pions, l’anneau de commande 38 est positionné autour de l’axe X vis-à-vis du disque 34, de façon à caler les aubes 36 autour de leurs axes Y dans une position prédéterminée. Le déplacement de l’anneau 38 peut être réalisé manuellement ou via un moteur, comme évoqué dans ce qui précède.

Une fois que les aubes 36 sont positionnées, l’anneau de commande 38 peut être immobilisé en rotation car les tests et mesures seront réalisés dans cette position.

Lors du montage des pions 62, ils sont engagés dans les orifices 60 de montage radialement depuis l’extérieur vers l’intérieur. Leurs extrémités biseautées coopèrent alors par glissement avec la surface 38c du disque et, plus ils sont déplacés vers l’axe X et plus ils sollicitent le disque 34 vers l’aval et donc vers les pignons 54 des aubes 36. Ceci permet de limiter les jeux entre les dentures d’engrènement des pignons 54 et de l’anneau 38. Pour qu’un engrenage fonctionne, il faut que chaque dent ne touche que d’un côté l’engrenage opposé. La forme conique des pions permet de pousser l’anneau 38 axialement et exerce un effort radial bloquant sa rotation.

Pour plus de sécurité en cas de perte d’aube 36 (non maîtrise de la vitesse et donc pression du pion 62 insuffisant pour empêcher l’anneau 38 de tourner.), un des pions 62 peut comprendre une excroissance 70 en saillie sur son extrémité biseautée 66a (cf. figure 9). Cette excroissance 70 est configurée pour être engagée dans un évidement (non représenté), tel qu’une rainure, de l’anneau de commande 38 afin de le bloquer en rotation autour de l’axe X.

L’immobilisation de l’anneau 38 par les pions 62 est réalisée à l’aveugle et permet de garantir le calage des aubes 36 dans une position prédéterminée pendant les tests et mesures du banc d’essai.

Claims

Module de soufflante (30) pour un banc d’essai de turbomachine d’aéronef, ce module comportant :
- un arbre d’entraînement (32) mobile en rotation autour d’un axe X,
- un disque (34) de soufflante centré sur l’axe X,
- des aubes (36) de soufflante portées par le disque et s’étendant chacune le long d’un axe Y sensiblement radial par rapport audit axe X, et
- un anneau de commande (38) mobile en rotation autour de l’axe X et engrené avec des pieds (38a) des aubes pour contrôler leur calage angulaire autour de leurs axes Y,
caractérisé en ce que ledit disque comprend au moins deux éléments annulaires (34a, 34b) coaxiaux fixés l’un à l’autre et définissant entre eux des logements (40) de montage des pieds (38a) des aubes et de rotation autour des axes Y de ces pieds, ainsi qu’une cavité annulaire (42) de montage de l’anneau (38) et de rotation autour de l’axe X de cet anneau.
Module (30) selon la revendication 1, dans lequel un palier (56), de préférence lisse, est intercalé entre l’anneau de commande (38) et une surface cylindrique externe de la cavité (42).
Module (30) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’anneau de commande (38) comprend une denture, par exemple tronconique, d’engrènement avec des pignons (54), par exemple tronconiques, portés par les pieds (36a) des aubes (36).
Module (30) selon la revendication précédente, dans lequel les pignons (54) sont formés d’une seule pièce avec les pieds (36a) des aubes (36).
Module (30) selon la revendication 3, dans lequel les pignons (54) sont rapportés et fixés sur les pieds (36a) des aubes (36).
Module (30) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend en outre un moteur dont un arbre de sortie (58) est engrené avec l’anneau de commande (38).
Module (30) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend en outre une balance de poussée (44) centrée sur l’axe X, le disque de soufflante (34) étant fixé à l’arbre d’entraînement (32) par cette balance de poussée.
Module (30) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le disque de soufflante (34) comprend des orifices (60) de montage de pions (62) qui sont configurés pour coopérer avec l’anneau de commande (38) afin de l’immobiliser le long de l’axe X dans une position prédéterminée par rapport aux pieds (36a) des aubes (36).
Module (30) selon la revendication précédente, dans lequel les pions (62) sont parallèles à l’axe X ou à l’axe Y.
Module (30) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les pions (62) comprennent un corps cylindrique (66) dont une extrémité (66a) est biseautée et configurée pour coopérer avec un pan incliné de l’anneau de commande (38), le corps comportant un alésage central traversant de montage d’une vis (68) de fixation du corps au disque (34).
Module (30) selon la revendication précédente, dans lequel l’un des pions (62) comprend une excroissance (70) en saillie sur son extrémité biseautée (66a), cette excroissance étant configurée pour être engagée dans un évidement de l’anneau de commande (38) afin de le bloquer en rotation autour de l’axe X.