FR3139795A1 - Module de soufflante a pales a calage variable - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un module de soufflante à pales à calage variable comprenant : un système de changement du calage (22) des pales (5) comprenant un mécanisme de liaison (24) et un dispositif de commande (23), ce dernier comportant un actionneur ayant un corps fixe (25) et un corps mobile (27) couplé à une couronne de synchronisation (34) du mécanisme de liaison reliée aux pales et configurée pour être entraînée en translation selon un axe longitudinal par le corps mobile de manière à changer le calage ; etun dispositif de mise en drapeau (38) comprenant au moins un levier (40) articulé autour d’un axe (A) d’articulation, une masselotte (43) étant solidaire du levier et apte, sous l’effet centrifuge, à être déplacée d’une première position vers une deuxième position dans laquelle la couronne de synchronisation impose une position drapeau, et au moins une transmission (50), chacune associée à un levier et comportant un secteur denté (52) monté rotatif autour de l’axe A et configuré pour coopérer avec une crémaillère (55) arrangée sur le corps mobile lorsque la masselotte se déplace entre la première position et la deuxième position, la crémaillère s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal. Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

MODULE DE SOUFFLANTE A PALES A CALAGE VARIABLE
La présente invention concerne un module de soufflante à pales à calage variable pour un ensemble propulsif, et plus précisément un dispositif de mise en drapeau des pales adapté à une telle soufflante.
Une soufflante munie de pales à calage variable (connue sous l’acronyme anglais VPF pour « Variable Pitch Fan ») permet de régler le calage (et plus précisément l’angle de calage) des pales en fonction des paramètres de vol, et ainsi d’optimiser le fonctionnement de la soufflante, et de manière générale de l’ensemble propulsif dans lequel une telle soufflante est intégrée. Pour rappel, l’angle de calage d’une pale correspond à l’angle, dans un plan longitudinal perpendiculaire à l’axe de rotation de la pale, entre la corde de la pale et le plan de rotation de la soufflante.
Il est connu d’avoir des systèmes de changement de pas adaptés à des ensembles propulsifs ou turbomachines comprenant de manière générale une soufflante carénée ou une hélice non carénée équipée d’aubes mobiles à calage variable.
Dans la catégorie des turbomachines à au moins une hélice non carénée, également appelées sous le terme anglais « open rotor » ou « unducted fan », il existe celles ayant une seule hélice non carénée et un redresseur comprenant plusieurs aubes de stator (connues sous l’acronyme anglais USF pour « Unducted Single Fan »).
Un turbomoteur de type open rotor comprend principalement, à l’intérieur d’un carter cylindrique fixe porté par la structure de l'aéronef, une partie « générateur de gaz » et une partie « propulsion » coaxiales. La partie générateur de gaz peut être disposée en amont ou en aval de la partie propulsion. Les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des gaz dans la turbomachine. La partie propulsion comporte au moins une hélice entraînée en rotation par une turbine, notamment basse pression, de la partie générateur de gaz via un réducteur, par exemple, à trains épicycloïdaux. Dans certains cas, la partie propulsion peut comporter deux hélices coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval qui sont entrainées, en rotation inverse l’une de l’autre, par la turbine du générateur de gaz via le réducteur. La ou les hélices s’étendent sensiblement radialement vis-à-vis de l’arbre de transmission d’axe longitudinal à l’extérieur du carter.
De manière générale, la ou chaque hélice comprend un carter rotatif sensiblement cylindrique portant un moyeu à anneau polygonal extérieur reçu de façon rotative autour de l’axe longitudinal dans le stator de la turbomachine. L’anneau comporte des logements cylindriques radiaux répartis sur sa périphérie autour de l’axe longitudinal. Des arbres d’axes radiaux, perpendiculaires à l’axe longitudinal de la turbomachine, solidaires des pieds des pales sont reçus dans les logements de l’anneau polygonal et traversent également des passages radiaux du carter cylindrique.
Pour permettre le fonctionnement optimal du turbomoteur selon les différentes phases de vol rencontrées, les pales des hélices peuvent tourner dans les logements radiaux des anneaux polygonaux. Pour cela, elles sont entraînées en rotation autour de leurs axes de pivot respectifs, appelé axe de calage, par un système approprié permettant de faire varier le calage des pales en cours de vol, c'est-à-dire le pas des hélices.
Ce système de changement du pas des pales des hélices couvre une plage angulaire de rotation comprise entre deux positions extrêmes, à savoir une position extrême dite d’inversion de poussée ou de « reverse » pour laquelle les pales dépassent par exemple de 30° le plan transversal à l'axe du turbomoteur (la direction d'avance de l'avion) pour participer au freinage de l'aéronef, à la manière des inverseurs de poussée usuels, et une position extrême dite de « mise en drapeau » pour laquelle les pales sont alors effacées au mieux par rapport à la direction d'avance, par exemple, en cas de panne moteur ou lors d’une défaillance (ou panne) du dispositif de commande du calage des pales (par exemple une défaillance d’un actionneur hydraulique) afin que ces dernières offrent le moins de résistance (traînée) possible.
De manière générale, un système de changement de pas des pales d’une hélice comporte un dispositif de commande et un mécanisme de liaison reliant le dispositif de commande à chaque pale de l’hélice pour assurer le pivotement angulaire souhaité des pales.
En outre, il est prévu un système de mise en drapeau passif pour palier à une défaillance du système hydraulique ou du vérin. La mise en drapeau des pales s’effectue généralement via des contrepoids. Usuellement, les contrepoids sont placés sur le pied de chaque pale et sont potentiellement très lourds en fonction de l’encombrement disponible et viennent charger en centrifuge et donc augmenter les contraintes du pied des pales et des roulements du pied des pales déjà très sollicités.
Différentes solutions ont été proposées pour changer le pas des pales d’une soufflante et effectuer la mise en drapeau des pales sur des turbomoteurs du type « open rotor » ou autres.
Par exemple, on connaît du document FR 3 066 559, un système de changement de pas des pales comprenant un seul vérin annulaire agencé sur un carter fixe ou stator interne par rapport au moyeu de la soufflante et un mécanisme de liaison comportant un palier de transfert, plus connu sous l’acronyme anglais LTB pour « Load Transfert Bearing », fixé d’un côté à la partie mobile du vérin et coopérant, de l'autre côté, avec un moyen de liaison du mécanisme aux pales du moyeu rotatif, de telle façon que le palier de transfert de charge du mécanisme entraîné en rotation transmette le déplacement en translation de la partie mobile du vérin fixe, au moyen de liaison du mécanisme rotatif pour changer l'orientation des pales de l'hélice. Ce système de changement de pas comporte en outre un dispositif de mise en drapeau des pales comportant des contrepoids avec un mécanisme de leviers agencés dans le repère tournant, lié à la bague extérieure du palier de transfert de charge par une bielle. L’utilisation de contrepoids avec un mécanisme de levier agissant sur le vérin permet de démultiplier l’effort et de profiter d’un espace vide pour diminuer la masse des contrepoids et ne pas solliciter le pied des pales.
Le fait d’avoir un actionneur linéaire dans un repère fixe plutôt que dans un repère tournant permet de faciliter son alimentation en huile et de diminuer les masses en rotation. Toutefois, les contrepoids nécessitent un mouvement purement axial imposant de ce fait une cinématique d’actionnement du mécanisme de contrepoids également purement axiale. Cette nécessité de mouvement purement axial entraine soit un surdimensionnement du système de levier soit un mécanisme extérieur, généralement encombrant et lourd, pour assurer la fonction anti-couple. De plus, si le mécanisme de changement de pas est purement axial il nécessite une force plus importante pour l’actionnement et cet effort se traduit en efforts internes et donc en contraintes mécaniques supplémentaires. Par ailleurs, le mécanisme de contrepoids à levier tel que présenté est hyperstatique rendant son dimensionnement, sa fabrication et son montage difficile.
En outre, en phase de vol de l’aéronef, les contrepoids sont dimensionnés pour contrer les efforts aérodynamiques de pales, leur inertie, leur effort de frottement. En phase au sol de l’aéronef et en particulier en position d’inversion de poussée, les efforts aérodynamiques et les efforts de contrepoids sont dans le même sens, donc le vérin doit être dimensionné pour fournir un effort très important.
L’objectif de la présente invention est ainsi de proposer un dispositif de mise en drapeau des pales permettant de palier à au moins certains de ces inconvénients.
À cet effet, l’invention concerne un module de soufflante à pales à calage variable pour un ensemble propulsif, d’axe longitudinal, notamment d’aéronef, ledit module comprenant :
- un carter rotatif autour de l’axe longitudinal et portant les pales,
- un système de changement du calage des pales comprenant un dispositif de commande et un mécanisme de liaison, le dispositif de commande comportant un actionneur annulaire centré sur l’axe longitudinal ayant un corps fixe et un corps mobile en translation par rapport au corps fixe le long de l’axe longitudinal, le corps mobile étant couplé à une couronne de synchronisation du mécanisme de liaison, ladite couronne de synchronisation étant reliée aux pales et configurée pour être entraînée en translation selon l’axe longitudinal par le corps mobile de manière à changer le calage des pales ; et
- un dispositif de mise en drapeau des pales, en particulier en cas de défaillance dudit dispositif de commande, ledit dispositif de mise en drapeau comprenant au moins un levier articulé autour d’un axe d’articulation fixe par rapport au carter rotatif, une masselotte étant solidaire d’une première extrémité du levier, la masselotte étant apte, sous l’effet centrifuge, à être déplacée d’une première position vers une deuxième position dans laquelle la couronne de synchronisation impose une position drapeau aux pales.
Selon l’invention, le dispositif de mise en drapeau comporte en outre au moins une transmission, chaque transmission étant associée à un levier et comportant un secteur denté rapporté sur le levier et monté rotatif autour de l’axe d’articulation, le secteur denté étant configuré pour coopérer avec une crémaillère arrangée sur le corps mobile du dispositif de commande lorsque la masselotte se déplace entre la première position et la deuxième position, la crémaillère s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal.
Ainsi, l’invention permet de réaliser une mise en drapeau passive des pales. Cette mise en drapeau passive s’effectue via des contrepoids. Toutefois, contrairement au module de l’art antérieur, l’invention permet de dimensionner le vérin au plus juste.
En effet, l’invention permet d’augmenter les efforts produit par les leviers grâce à une crémaillère qui en outre peut être « débrayable » au cours des phases au sol de l’aéronef pendant lesquelles l’effet des contrepoids est indésirable.
Ainsi, pendant les phases de vol, c’est-à-dire entre la position drapeau et la position intermédiaire, la course de l’actionneur est solidaire du levier par la crémaillère, alors que pendant les phases au sol, c’est-à-dire entre la position intermédiaire et la position inversion de poussée, la course de l’actionneur est indépendante du levier, la crémaillère est débrayée.
Le dispositif de mise en drapeau selon l’invention utilise avantageusement l’effort des contrepoids dans toutes les phases de vol grâce à la crémaillère et ne subit pas ces efforts des contrepoids en inversion de poussée car la crémaillère est débrayée du levier.
L’invention permet en outre avantageusement de réduire le nombre de composant dans les liaisons du dispositif de mise en drapeau.
De plus, l’invention permet d’assurer une mise en drapeau passive des pales d’une soufflante efficace en multipliant l’effort centrifuge de chaque masselotte tout en ayant des efforts de rappel faibles pendant la phase d’inversion de poussée.
Le module de soufflante 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 selon toute combinaison techniquement possible :
  • la crémaillère est montée coulissante longitudinalement de manière solidaire avec le corps mobile du dispositif de commande et le corps mobile du dispositif de commande est configuré pour se déplacer indépendamment du dispositif de mise en drapeau entre une première position longitudinale dite position amont et une deuxième position longitudinale dite position aval dans laquelle la couronne de synchronisation impose une position en inversion de poussée aux pales ;
  • le dispositif de mise en drapeau comporte un moyen de maintien de la masselotte dans la première position lorsque le corps mobile du dispositif de commande se déplace entre la position amont et la position aval ;
  • le moyen de maintien comporte un galet solidaire d’une seconde extrémité du levier, le galet étant apte à rouler sur une piste de guidage rapportée sur le carter rotatif lorsque le corps mobile du dispositif de commande se déplace entre la position amont et la position aval, la piste de guidage s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal du module ;
  • le secteur denté est délimité angulairement par un bord amont et un bord aval et lorsque le corps mobile du dispositif de commande est dans la position amont, le bord amont s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal du module et le galet est arrangé en amont du bord amont, et dans lequel la piste de guidage est radialement extérieure par rapport au galet lorsque le corps mobile du dispositif de commande se déplace entre la position amont et la position aval ;
  • le secteur denté est délimité angulairement par un bord amont et un bord aval et lorsque le corps mobile du dispositif de commande est dans la position amont, le bord amont s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal du module et le galet est arrangé en aval du bord amont, et dans lequel la piste de guidage est radialement intérieure par rapport au galet lorsque le corps mobile du dispositif de commande se déplace entre la position amont et la position aval ;
  • chaque levier comporte un premier bras supportant la masselotte et un second bras reliés au niveau de l’axe d’articulation du levier et espacés angulairement l’un de l’autre d’un angle compris entre 10° et 170° ;
  • le bord amont et le bord aval du secteur denté du levier sont espacés angulairement l’un de l’autre d’un angle compris entre 10° et 170° ;
  • le corps fixe de l’actionneur annulaire du dispositif de commande est rapporté sur le carter rotatif ;
  • le module de soufflante comporte un carter fixe, le corps fixe de l’actionneur annulaire du dispositif de commande étant rapporté sur le carter fixe, le mécanisme de liaison du système de changement du calage des pales comportant en outre un palier de transfert de charge agencé entre le corps mobile et la couronne de synchronisation.
L’invention concerne également un ensemble propulsif d’axe longitudinal, notamment d’aéronef, comportant au moins un module de soufflante à pales à calage variable selon l’invention et tel que décrit précédemment.
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
  • la est une vue en demi-coupe axiale (ou longitudinale) d’un module de soufflante comprenant un dispositif de mise en drapeau des pales, dans une première position correspondant à une position de mise en drapeau des pales, selon un plan axial passant par l’axe de rotation d’une pale de la soufflante selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
  • la est une vue en demi-coupe axiale (ou longitudinale) du module de la dans une seconde position correspondant à une position reverse ;
  • la représente schématiquement au moins partiellement le dispositif de mise en drapeau selon l’invention selon un deuxième mode de réalisation ;
  • les figures 4A à 4D illustrent le dispositif de mise en drapeau de la dans quatre positions différentes : la illustre une position dans laquelle les pales sont mises en drapeau, la illustre une situation de vol, la représente la position intermédiaire et la correspond à une position dans laquelle les pales sont mises en inversion de poussée ; et
  • les figures 5A à 5D illustrent le dispositif de mise en drapeau selon un troisième mode de réalisation dans quatre positions différentes : la illustre une position dans laquelle les pales sont mises en drapeau, la illustre une situation de vol, la représente la position intermédiaire et la correspond à une position dans laquelle les pales sont mises en inversion de poussée.
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
L’invention s’applique à un ensemble propulsif destiné à être monté sur un aéronef. L’aéronef comprend un fuselage et au moins deux ailes s’étendant de part et d’autre du fuselage suivant l’axe du fuselage. Au moins un ensemble propulsif est monté par exemple sous chaque aile. L’ensemble propulsif peut être un turboréacteur, par exemple un ensemble propulsif équipé d’une soufflante carénée (turbosoufflante) ou d’un turbopropulseur, par exemple un ensemble propulsif équipé d’une hélice non carénée (« open rotor », « USF » pour «Unducted Single Fan » ou « UDF » pour « Unducted Fan »). Bien entendu, l’invention s’applique à d’autres types d’ensembles propulsifs, par exemple comportant deux hélices coaxiales et contrarotatives.
De manière générale et dans la suite de la description, le terme « soufflante » est employé pour désigner indifféremment une soufflante ou une hélice.
Sur les figures 1 et 2 est représentée une soufflante 1 d’un ensemble propulsif 2 d’axe longitudinal X. La soufflante 1 comporte un carter rotatif ou rotor 3 mobile autour de l’axe X par rapport à un carter fixe. Le rotor 3 porte une série de pales 5 à calage variable. La soufflante 1 est ici placée en amont de la partie moteur de l’ensemble propulsif 2 qui comprend par exemple successivement d’amont en aval, un générateur de gaz et une turbine de puissance qui entraîne le rotor 3 de la soufflante 1 via un réducteur de vitesse.
Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la soufflante 1 (ou ensemble propulsif 2), c’est-à-dire de gauche à droite sur les figures 1 et 2. De même, par convention dans la présente demande, les termes « interne » et « externe », « intérieur » et « extérieur » sont définis radialement par rapport à l’axe longitudinal (ou axial) X de l’ensemble propulsif 2 ou des modules qui le constituent, qui est notamment l’axe de rotation des rotors des compresseurs et turbines du générateur de gaz.
Le carter rotatif 3 comprend un arbre annulaire interne centré sur l’axe X qui, en fonctionnement est entraîné par la turbine de puissance via le réducteur de vitesse. Le carter rotatif 3 comporte en outre un anneau 16 de support des pales 5.
Plus précisément, chaque pale 5 comprend un pied se présentant par exemple sous forme d’une attache en forme de bulbe, ce pied étant solidaire d’un pivot 18 monté dans un logement 19 d’une base 20 en saillie de l’anneau 16 de manière mobile en rotation autour d’un axe Y sensiblement radial via deux paliers à roulement. Les paliers à roulement placés dans chaque logement 19 sont généralement lubrifiés à la graisse.
La soufflante comporte un système de changement de pas 22 des pales 5 ou système de calage des pales 5 autour de leur axe Y, et plus précisément de l’angle de calage des pales 5 qui correspond pour une pale 5 à l’angle, dans un plan longitudinal perpendiculaire à l’axe Y, entre la corde de la pale 5 et le plan de rotation de la soufflante 1.
Les pales 5 sont positionnées en position drapeau sur la . Dans la position drapeau, l’angle de calage est positif et généralement égal à 90°. Cette position des pales 5 permet de limiter la résistance (traînée) générée par ces dernières.
Les pales 5 sont positionnées en position inversion de poussée ou reverse sur la .
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures et notamment les figures 1 et 2, le système de changement de pas 22 des pales 5 comprend un dispositif de commande ou actionneur 23 annulaire linéaire, centré sur l’axe X, commun à toutes les pales 5 et un mécanisme de liaison 24 relié à chaque pale 5, ce mécanisme de liaison 24 permettant de transformer le mouvement linéaire initié par l’actionneur 23 en un mouvement de rotation de la pale 5 correspondante.
Plus précisément, l’actionneur 23 linéaire comporte un corps annulaire « fixe » 25 rapporté sur un support annulaire (centré sur X) du rotor 3 au moyen de vis de fixation 89, il est donc agencé dans le repère tournant lié au rotor. En d’autres termes, le corps fixe 25 est solidaire en rotation du rotor 3. L’actionneur 23 linéaire comporte en outre un corps mobile 27, celui-ci étant mobile en translation par rapport au corps fixe 25 le long de l’axe X. Avantageusement, l’actionneur 23 linéaire est hydraulique. De préférence, l’actionneur 23 est un vérin hydraulique comprenant une tige fixe solidaire de l’arbre du rotor 3 formant le corps fixe 25 de l’actionneur et un cylindre formant le corps mobile 27 de l’actionneur.
Le mécanisme de liaison 24 du système de changement de pas 22 comporte en outre une couronne 34 de synchronisation solidaire du corps mobile 27 de l’actionneur 23. Notamment, une virole 81 permet de fixer la couronne 34 de synchronisation au corps mobile 27 de l’actionneur via des vis (non visibles). La couronne 34 de synchronisation est annulaire et coaxiale avec l’axe longitudinal X. La couronne 34 de synchronisation est centrée sur l’axe longitudinal X et est destinée à entraîner le calage de pales 5 simultanément.
Le mécanisme de liaison 24 permettant de transformer le mouvement linéaire de l’actionneur 23 en un mouvement de rotation de la pale 5 comprend en outre, pour chaque pale 5, une biellette 35. Une des extrémités de la biellette 35 est montée de manière libre en rotation, c’est-à-dire par une liaison rotule, selon un axe D sensiblement radial avec la couronne de synchronisation 34 via une chape. L’autre des extrémités de la biellette 35 est également montée de manière libre en rotation, par une liaison rotule, avec un excentrique 36 relié au pivot 18 qui oriente le pied de la pale 5 correspondante via par exemple une liaison par cannelures. L’axe D est décalé par rapport à l’axe Y de rotation de la pale 5. L’axe D est sensiblement parallèle l’axe Y de rotation de la pale 5. La biellette 35 et l’excentrique 36 permettent de démultiplier l’effort nécessaire pour régler le calage de la pale 5 correspondante.
Le mouvement linéaire du corps mobile 27 de l’actionneur 23 permet de régler de manière synchronisée le calage de l’ensemble des pales 5 via notamment la couronne de synchronisation 34.
La soufflante 1 comprend également un dispositif de mise en drapeau 38 des pales 5, en particulier en cas de défaillance (ou panne) du dispositif de changement de pas 22, et par exemple une défaillance dans l’alimentation hydraulique de l’actionneur 23 linéaire. Pour rappel, la position drapeau correspond à un calage positif généralement sensiblement égal à 90°.
Le dispositif de mise en drapeau 38 comprend au moins un mécanisme 39 comportant un levier 40 articulé par une liaison pivot 80 autour d’un axe A, dit axe d’articulation, fixe par rapport au rotor 3. L’axe d’articulation A est ici rectiligne et perpendiculaire à l’axe X. Le levier 40 est articulé par rapport au carter rotatif en A par une liaison pivot, de préférence formée par un roulement à aiguilles ou par deux roulements à billes. Selon le premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, le levier 40 présente une première extrémité 41 et une deuxième extrémité 42, la deuxième extrémité supportant la liaison pivot 80.
Une masselotte 43 est solidaire de la première extrémité 41. La masselotte 43 est apte, sous l’effet centrifuge, à être déplacée entre une première position extrême et une deuxième position extrême. La première position extrême est illustrée sur la , la deuxième position extrême est représentée sur la et correspond à une position dans laquelle la couronne de synchronisation 34 impose une position drapeau aux pales 5.
De préférence, le dispositif de mise en drapeau 38 comporte une pluralité de mécanismes 39 répartis angulairement de manière régulière autour de l’axe X. Ainsi, l’ensemble des masselottes 43 forment une rangée annulaire centrée sur l’axe longitudinal X et espacées angulairement de manière régulière.
Le dispositif de mise en drapeau 38 comporte au moins une transmission 50, chaque transmission étant associée à un levier 40.
En outre, chaque transmission 50 comporte un secteur denté 52 (ou une roue comportant au moins un secteur denté telle qu’illustrée sur les figures 1 et 2) rapporté sur le levier 40. Le secteur denté 52 est monté rotatif autour de l’axe d’articulation A. Le secteur denté 52 permet de transmettre l’effort du contrepoids au vérin. L’écartement entre le point de rotation A et la crémaillère et la taille des dents et la longueur de course sont choisis en fonction de la force de rappel à fournir, des efforts admissibles, et de la course du vérin.
Le secteur denté 52 est délimité angulairement par un bord amont 53 et un bord aval 54 (visibles sur les figures 3, 4A-4D et 5A-5D). Le bord amont 53 et le bord aval 54 du secteur denté 52 du levier sont espacés angulairement l’un de l’autre d’un angle compris entre 10° et 170°. Cet angle dépend de plusieurs paramètres et notamment du rapport de réduction du secteur denté, de l’espace disponible et des courses des différents éléments liés aux calages et à la cinématique de changement de pas.
Le secteur denté 52 est configuré pour coopérer avec une crémaillère 55 arrangée sur le corps mobile 27 du dispositif de commande 23.
La crémaillère 55 s’étend longitudinalement parallèlement à l’axe longitudinal X sur le corps mobile 27 du dispositif de commande 23. Par exemple, la crémaillère est rapportée sur le vérin et fixée via des liaisons boulonnées. Alternativement, la crémaillère est usinée directement sur le vérin.
En outre, la crémaillère 55 est montée coulissante longitudinalement le long de l’axe longitudinal X de manière solidaire avec le corps mobile 27 du dispositif de commande 23 entre une première position longitudinale dite position aval, qui correspond ici à la position reverse ( ) et une deuxième position longitudinale dite position amont, ( ).
Ainsi, chaque crémaillère 55 est montée solidaire en coulissement avec le corps mobile 27 du dispositif de commande, de préférence une tige d’un vérin. Toutes les crémaillères 55 de chacune des transmissions 50 sont ici fixées sur le corps mobile 27 du même dispositif de commande.
Le dispositif de mise en drapeau 38 est configuré de sorte que, lorsque la masselotte 43 se déplace entre la première position ( ) et la deuxième position ( ), le secteur denté 52 coopère avec la crémaillère 55. En particulier, le secteur denté 52 présente des dents qui engrènent avec des dents de la crémaillère 55.
En d’autres termes, en phase de vol de l’aéronef, c’est-à-dire pour toutes les positions entre la position reverse ( ) et la position drapeau ( ), l’actionneur 23, dans l’exemple représenté ici un vérin, se déplace solidairement du levier 40 par l’engrènement des dents du secteur denté 52 avec la crémaillère 55.
La illustre schématiquement au moins partiellement le dispositif de mise en drapeau 38 selon un deuxième mode de réalisation. Les figures 4A à 4D illustrent ce dispositif de mise en drapeau dans quatre positions différentes. La correspond à une position dans laquelle les pales sont mises en drapeau. La illustre une situation de vol. La représente la position intermédiaire du dispositif et la correspond à une position dans laquelle les pales sont mises en inversion de poussée.
Selon ce mode de réalisation, le levier 40 présente une première extrémité 41 et une deuxième extrémité 42. Une masselotte 43 est solidaire de la première extrémité 41. La masselotte 43 est apte, sous l’effet centrifuge, à être déplacée entre une première position extrême et une deuxième position extrême. La première position extrême est illustrée sur la et correspond à la position intermédiaire. La deuxième position extrême, illustrée sur la , correspond à une position (voir ) dans laquelle la couronne de synchronisation 34 impose une position drapeau aux pales 5.
Comme pour le premier mode réalisation, le dispositif de mise en drapeau 38 comporte de préférence, une pluralité de mécanismes 39 répartis angulairement de manière régulière autour de l’axe X. Ainsi, l’ensemble des masselottes 43 forment une rangée annulaire centrée sur l’axe longitudinal X et espacées angulairement de manière régulière.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4A-4D, pour chaque mécanisme 39, le levier 40 a une forme de L ou de V en coupe axiale, orienté vers l’extérieur par rapport à l’axe longitudinal X. Chaque levier 40 comporte deux bras espacés angulairement et reliés au niveau de l’articulation du levier en A, un premier bras 44 supportant la masselotte 43 et un deuxième bras 45 dont l’extrémité libre est formée par la deuxième extrémité 42 du levier. Les deux bras 44, 45 sont fixes l’un par rapport à l’autre.
Dans le deuxième mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4A à 4D, les deux bras 44, 45 sont espacés angulairement l’un de l’autre d’un angle compris entre 10° et 170°, de préférence sensiblement égal à 90°. Cet angle dépend de plusieurs paramètres et notamment du rapport de réduction du secteur denté, de l’espace disponible et des courses des différents éléments liés aux calages et à la cinématique de changement de pas.
Comme dans le premier mode de réalisation (figures 1 et 2), le dispositif de mise en drapeau 38 comporte au moins une transmission 50, chaque transmission étant associée à un levier 40.
Ainsi, chaque transmission 50 comporte un secteur denté 52 rapporté sur le levier 40 pour permettre la transmission de l’effort du contrepoids au vérin, le secteur denté 52 étant monté rotatif autour de l’axe d’articulation A.
Le secteur denté 52 est délimité angulairement par un bord amont 53 et un bord aval 54 (visibles sur les figures 3, 4A-4D et 5A-5D). Le bord amont 53 et le bord aval 54 du secteur denté 52 du levier sont espacés angulairement l’un de l’autre d’un angle compris entre 10° et 170°. Cet angle dépend de plusieurs paramètres et notamment du rapport de réduction du secteur denté, de l’espace disponible et des courses des différents éléments liés aux calages et à la cinématique de changement de pas.
Le secteur denté 52 est configuré pour coopérer avec une crémaillère 55 arrangée sur le corps mobile 27 du dispositif de commande 23.
La crémaillère 55 s’étend longitudinalement parallèlement à l’axe longitudinal X sur le corps mobile 27 du dispositif de commande 23.
En outre, la crémaillère 55 est montée coulissante longitudinalement le long de l’axe longitudinal X de manière solidaire avec le corps mobile 27 du dispositif de commande 23 entre une première position longitudinale dite position aval, qui correspond ici à la position reverse ( ) et une deuxième position longitudinale dite position amont, qui correspond ici à la position intermédiaire ( ).
Ainsi, chaque crémaillère 55 est montée solidaire en coulissement avec le corps mobile 27 du dispositif de commande, de préférence une tige d’un vérin. Toutes les crémaillères 55 de chacune des transmissions 50 sont ici fixées sur le corps mobile 27 du même dispositif de commande.
Le dispositif de mise en drapeau 38 est configuré de sorte que, lorsque la masselotte 43 se déplace entre la première position ( ) et la deuxième position ( ), le secteur denté 52 coopère avec la crémaillère 55. En particulier, le secteur denté 52 présente des dents qui engrènent avec des dents de la crémaillère 55.
En d’autres termes, en phase de vol de l’aéronef illustrée sur la , c’est-à-dire pour toutes les positions entre la position intermédiaire ( ) et la position drapeau ( ), l’actionneur 23, dans l’exemple représenté ici un vérin, se déplace solidairement du levier 40 par l’engrènement des dents du secteur denté 52 avec la crémaillère 55.
En outre, contrairement au premier mode de réalisation (figures 1 et 2), dans ce deuxième mode de réalisation (figures 3 et 4A-4D), le dispositif de mise en drapeau 38 est configuré de sorte que le corps mobile 27 du dispositif de commande 23 se déplace indépendamment du dispositif de mise en drapeau entre la position amont ( ) et la position aval ( ) dans laquelle la couronne de synchronisation 34 impose une position en inversion de poussée aux pales 5. En particulier, le secteur denté 52 est découplé de la crémaillère 55, c’est-à-dire que les dents du secteur denté 52 du levier ne sont pas engrenées par la piste dentelée formée par la crémaillère sur l’actionneur.
En d’autres termes, en phase au sol de l’aéronef représentée par toutes les positions entre la position intermédiaire ( ) et la position reverse ( ), l’actionneur 23, dans l’exemple représenté ici un vérin, se déplace indépendamment du levier 40, la crémaillère est débrayée, par l’engrènement des dents du secteur denté 52 avec la crémaillère 55.
A cet effet, le dispositif de mise en drapeau 38 comporte en outre un moyen de maintien 60 de la masselotte 43 dans la première position lorsque le corps mobile 27 du dispositif de commande 23 se déplace entre la position amont ( ) et la position aval ( ).
Le moyen de maintien 60 comporte un galet 62 solidaire de la seconde extrémité 42 du levier 40. Le galet 62 est apte à rouler sur une piste de guidage 65 lorsque le corps mobile 27 du dispositif de commande 23 se déplace entre la position amont ( ) et la position aval ( ).
La piste de guidage 65 est rapportée sur le carter rotatif. Par exemple, la piste de guidage est rapportée sur le carter et fixée via des liaisons boulonnées. En variante, la piste de guidage peut être usinée directement sur le carter.
La piste de guidage 65 s’étend parallèlement à l’axe longitudinal X du module et à l’axe de la crémaillère 55. La piste de guidage 65 est agencée en amont de la crémaillère 55.
Dans l’exemple illustré sur les figures 3 et 4A-4D, la crémaillère 55 est agencée radialement plus à l’intérieur que la piste de guidage 65. En d’autres termes, la crémaillère 55 est dans ce cas plus proche de l’axe longitudinal X que la piste de guidage 65.
Toutefois, le cas inverse est également possible, c’est-à-dire une crémaillère agencée radialement plus à l’extérieur que la piste de guidage.
L’écartement entre le point de rotation A et la crémaillère et la taille des dents et la longueur de course sont choisis en fonction de la force de rappel à fournir, des efforts admissibles, et de la course du vérin. Au contraire, le dimensionnement de la piste de guidage est moins exigeant en ce qu’il n’y a pas de rapport de réduction, juste la retenue mécanique du contrepoids centrifugé, ainsi son implantation est plutôt choisie pour diminuer la masse et l’encombrement du système entier.
Selon le deuxième mode de réalisation tel qu’illustré sur les figures 4A à 4D, le galet 62 est arrangé en amont du bord amont 53 du secteur denté 52 notamment dans la position de vol et la position intermédiaire (figures 4B et 4C) et la piste de guidage 65 est radialement extérieure par rapport au galet 52. En d’autres termes, le galet 42 est plus proche de l’axe longitudinal X que la piste de guidage 65 lorsque le galet roule sur la piste de guidage au cours du déplacement du corps mobile 27 du dispositif de commande 23 entre la position amont ( ) correspondant à la position intermédiaire et la position aval ( ) correspondant à la position en inversion de poussée.
Ainsi, en position d’inversion de poussée ( ), la piste de guidage 65 empêche le galet 52 de s’éloigner de l’axe longitudinal X de la turbomachine.
En outre, en phase au sol et notamment en position d’inversion de poussée ( ), le bord amont 54 du secteur denté est vertical, c’est-à-dire qu’il est perpendiculaire à l’axe longitudinal X de la turbomachine et le galet 52 est arrangé en amont du bord amont 53 du secteur denté 52.
Ainsi, la force centrifuge générée par la rotation du moteur exercée sur les masselottes pendant les phases de vol permet de garantir un retour en position drapeau des pales en cas de défaillance de la turbomachine, notamment du dispositif de commande. Toutefois, celle-ci n’est plus utile durant les phases au sol de l’aéronef, principalement en position d’inversion de poussée. Cette force n’est avantageusement plus subie par l’actionneur pendant les phases au sol contrairement au dispositif de l’art antérieur permettant de réduire fortement la masse et les efforts dans le système d’actionnement principal.
Les figures 5A à 5D illustrent un troisième mode de réalisation du dispositif de mise en drapeau dans quatre positions différentes. De manière similaire aux figures 4A à 4D, la correspond à une position dans laquelle les pales sont mises en drapeau. La illustre une situation de vol. La représente la position intermédiaire du dispositif et la correspond à une position dans laquelle les pales sont mises en inversion de poussée.
Ce troisième mode de réalisation diffère du deuxième mode de réalisation en ce que lorsque le corps mobile 27 du dispositif de commande 23 est dans la position amont, illustrée sur la , le galet 62 est arrangé en aval du bord amont 53 qui s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal X du module.
De plus, la piste de guidage 65 est radialement intérieure par rapport au galet lorsque le corps mobile 27 du dispositif de commande 23 se déplace entre la position amont ( ) et la position aval ( ).
En d’autres termes, le galet 62 est plus éloigné de l’axe longitudinal X que la piste de guidage 65 lorsque le galet roule sur la piste de guidage au cours du déplacement du corps mobile 27 du dispositif de commande 23 entre la position amont ( ) correspondant à la position intermédiaire et la position aval ( ) correspondant à la position en inversion de poussée.
Ainsi, en position d’inversion de poussée ( ), la piste de guidage 65 empêche le galet 52 de passer par son point de trajectoire le plus proche de l’axe longitudinal X de la turbomachine.
Lorsque l’ensemble propulsif 2 fonctionne de manière normale (pas de défaillance), le dispositif de mise en drapeau 38 est subordonné au système 22 de changement de pas des pales 5, et plus précisément à l’actionneur 23 linéaire. On note que lorsque les pales 5 sont en position « inversion de poussée », le secteur denté du levier et la crémaillère sont découplés et les masselottes 43 des mécanismes 39 du dispositif de mise en drapeau 38 des pales 5 sont maintenues à proximité de l’axe longitudinal X du rotor 3 tel qu’illustré sur les figures 2, 4D et 5D.
En cas de défaillance (nécessité de positionner les pales 5 en position drapeau), par exemple une défaillance dans l’alimentation hydraulique de l’actionneur 23 linéaire, le système 22 de calage des pales 5 devient alors subordonné au dispositif de mise en drapeau 38, et plus précisément des masselottes 43 qui sous l’effet centrifuge se retrouve plus éloignées de l’axe longitudinal X du rotor 3 tel qu’illustré sur les figures 1, 4A et 5A, pour imposer une position drapeau aux pales 5.
Le mécanisme de contrepoids à levier agit ainsi sur le vérin qui est lié cinématiquement avec le mécanisme d’actionnement aux pales. Le nombre de contrepoids à levier est ainsi indépendant du nombre de pales. Le mécanisme de contrepoids à levier impose le sens de la position de drapeau à la cinématique d’actionnement de pas.
On note que les exemples illustrés sur les figures ne sont en rien limitatif, le système de changement de pas des pales selon l’invention pourrait par exemple être incorporé au rotor d’une hélice d’un turbopropulseur ou bien encore au rotor de chacune des deux hélices d’une turbomachine comprenant deux hélices contrarotatives, plus connue sous la désignation anglaise « Open Rotor ». Dans la définition de l’invention, le terme « soufflante » couvre également l’hélice ou les hélices de telles turbomachines.
En outre, dans les exemples illustrés sur les figures, le corps du vérin est lié au rotor (dans le repère tournant) et la tige du vérin, qui est fixée au référentiel fixe lié au carter est mobile en translation par rapport au corps du vérin, la couronne de synchronisation étant liée à la tige du vérin. Cependant, l’invention pourrait également s’appliquer à un système dans lequel le corps du vérin serait fixé à la couronne de synchronisation et mobile en translation par rapport à la tige du vérin. Ainsi selon la configuration du vérin, l’ensemble du dispositif de mise en drapeau est soutenu par un carter lié directement au vérin ou à la structure du moteur.
Un tel dispositif de mise en drapeau s’applique plus généralement à toute turbomachine comprenant un dispositif de commande du calage des pales pour lequel un dispositif de mise en drapeau est nécessaire. Notamment, l’invention s’applique également à un système de changement de pas des pales comprenant un seul vérin annulaire agencé sur un carter fixe et un mécanisme de liaison comportant un palier de transfert ou dont l’actionneur linéaire est un vérin électrique. Dans ce cas, les contrepoids seraient liés au repère tournant et agiraient sur la couronne de synchronisation plutôt que sur le vérin.

Claims (10)

  1. Module (1) de soufflante à pales à calage variable pour un ensemble propulsif, d’axe longitudinal (X), notamment d’aéronef, ledit module comprenant :
    • un carter rotatif (3) autour de l’axe longitudinal (X) et portant les pales (5),
    • un système de changement du calage (22) des pales comprenant un dispositif de commande (23) et un mécanisme de liaison (24), le dispositif de commande comportant un actionneur annulaire centré sur l’axe longitudinal (X) ayant un corps fixe (25) et un corps mobile (27) en translation par rapport au corps fixe le long de l’axe longitudinal (X), le corps mobile étant couplé à une couronne de synchronisation (34) du mécanisme de liaison, ladite couronne de synchronisation étant reliée aux pales (5) et configurée pour être entraînée en translation selon l’axe longitudinal (X) par le corps mobile de manière à changer le calage des pales ; et
    • un dispositif de mise en drapeau (38) des pales (5), en particulier en cas de défaillance dudit dispositif de commande, ledit dispositif de mise en drapeau comprenant au moins un levier (40) articulé autour d’un axe (A) d’articulation fixe par rapport au carter rotatif, une masselotte (43) étant solidaire d’une première extrémité du levier, la masselotte (43) étant apte, sous l’effet centrifuge, à être déplacée d’une première position vers une deuxième position dans laquelle la couronne de synchronisation impose une position drapeau aux pales,
    caractérisé en ce que :
    • le dispositif de mise en drapeau (38) comporte au moins une transmission (50), chaque transmission étant associée à un levier (40) et comportant un secteur denté (52) rapporté sur le levier et monté rotatif autour de l’axe (A) d’articulation, le secteur denté (52) étant configuré pour coopérer avec une crémaillère (55) arrangée sur le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) lorsque la masselotte (43) se déplace entre la première position et la deuxième position, la crémaillère (55) s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal (X).
  2. Module de soufflante selon la revendication 1, dans lequel la crémaillère (55) est montée coulissante longitudinalement de manière solidaire avec le corps mobile (27) du dispositif de commande et le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) est configuré pour se déplacer indépendamment du dispositif de mise en drapeau entre une première position longitudinale dite position amont et une deuxième position longitudinale dite position aval dans laquelle la couronne de synchronisation impose une position en inversion de poussée aux pales.
  3. Module de soufflante selon la revendication 2, dans lequel le dispositif de mise en drapeau (38) comporte un moyen de maintien (60) de la masselotte (43) dans la première position lorsque le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) se déplace entre la position amont et la position aval.
  4. Module de soufflante selon la revendication 3, dans lequel le moyen de maintien (60) comporte un galet (62) solidaire d’une seconde extrémité (42) du levier (40), le galet (62) étant apte à rouler sur une piste de guidage (65) rapportée sur le carter rotatif lorsque le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) se déplace entre la position amont et la position aval, la piste de guidage s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal (X) du module.
  5. Module de soufflante selon la revendication 4, dans lequel le secteur denté (52) est délimité angulairement par un bord amont et un bord aval et lorsque le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) est dans la position amont, le bord amont s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal (X) du module et le galet (62) est arrangé en amont du bord amont, et dans lequel la piste de guidage est radialement extérieure par rapport au galet (62) lorsque le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) se déplace entre la position amont et la position aval.
  6. Module de soufflante selon la revendication 4, dans lequel le secteur denté (52) est délimité angulairement par un bord amont (53) et un bord aval (54) et lorsque le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) est dans la position amont, le bord amont s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal (X) du module et le galet (62) est arrangé en aval du bord amont, et dans lequel la piste de guidage (65) est radialement intérieure par rapport au galet lorsque le corps mobile (27) du dispositif de commande (23) se déplace entre la position amont et la position aval.
  7. Module de soufflante selon la revendication 5 ou 6, dans lequel chaque levier comporte un premier bras (44) supportant la masselotte (43) et un second bras (45) reliés au niveau de l’axe d’articulation du levier et espacés angulairement l’un de l’autre d’un angle compris entre 10° et 170°.
  8. Module de soufflante selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps fixe (25) de l’actionneur annulaire du dispositif de commande est rapporté sur le carter rotatif.
  9. Module de soufflante selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le module de soufflante comporte un carter fixe, le corps fixe (25) de l’actionneur annulaire du dispositif de commande étant rapporté sur le carter fixe, le mécanisme de liaison du système de changement du calage des pales comportant en outre un palier de transfert de charge agencé entre le corps mobile (27) et la couronne de synchronisation (34).
  10. Ensemble propulsif (2) d’axe longitudinal (X), notamment d’aéronef, comportant au moins un module de soufflante à pales à calage variable selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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