Brevet FR2551023A1 — publié le 19850301

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à des ensembles d'hélice d'avion et, plus particulièrement, à des mécanismes d'engrenages et de changement de pas de l'hélice ou des hélices, de faible poids. Du fait de la crise de l'énergie des années 70, des recherches considérables ont été entreprises dans le but de parvenir à accroître l'efficacité des moteurs d'avion Les moteurs à turbohélice, ou turbopropulseurs, 10 présentent un intérêt particulier dans ce domaine De tels moteurs comprennent typiquement une turbine haute pression qui sert à entraîner un compresseur et une turbine basse pression, ou turbine de travail, qui sert à entraîner une hélice ou des hélices L'emploi d'héli15 ces en tant que moyens principaux de propulsion est avantageux du fait de leurs performances et de leur rendement supérieurs aux vitesses subsoniques. Les ensembles d'hélice classiques nécessitent l'emploi d'au moins trois éléments: une boîte d'engre20 nages de réduction pour convertir la vitesse de rotation de l'arbre en une vitesse de rotation des pales; un mécanisme de changement de pas des pales qui comporte des dispositifs sûrs après défaillance; et une ou des hélices Ces éléments peuvent représenter 25 plus de la moitié du poids d'un turbopropulseur et leurs frais d'entretien peuvent atteindre jusqu'aux deux tiers des frais d'entretien totaux du moteur. En plus des inconvénients de poids et de coût des ensembles d'hélice classiques, l'actionnement du 30 mécanisme de changement de pas et la commande sûre après défaillance présentent des problèmes non négligeables qui sont particulièrement critiques dans le cas des turbohélices La commande du pas des pales est un facteur critique pour optimiser la poussée et les 35 performances du moteur dans différentes conditions de fonctionnement Le pas des pales est, en général, réglé entre deux positions extrêmes à savoir un grand pas ou en drapeau et un petit pas ou pas nul La tendance d'une pale rotative est de se déplacer vers la position de pas nul dans laquelle la pale est approximativement parallèle à son sens de rotation Lorsque les pales s'approchent de la condition de pas mul, elles ont tendance à accélérer jusqu'à une conditimn d'emballement Dans une telle condition, la pousse du 10 moteur est considérablement réduite En outre, la turbine de travail risque d'être entraînée à une vitesse excessive A la différence du moteur classique du type à mouvement alternatif, la turbine de travailsd'un turbopropulseur présente une faible résistance interne 15 pour contrebalancer l'emballement Par conséquent, les mécanismes sûrs après défaillance servant à empêcber les pales d'un turbopropulseur de se déplacer jusqu'au pas nul sont très importants. Le mécanisme servant à changer le pas des pales a traditionnellement comporté un actionneur rotatif qui utilise typiquement un fluide hydraulique Un problème qui se pose avec un actionneur hydraulique rotatif est la nécessité d'utiliser une bague collectrice hydraulique pour transférer le fluide provenant 25 d'une alimentation non rotative et y retournant Les bagues collectrices ont tendance à fuir, ce qui se traduit par un fonctionnement inefficace En outre, les actionneurs hydrauliques rotatifs ont tendance à centrifuger les produits de contamination, ce qui peut 30 provoquer un colmatage Les mécanismes d'actionnement non rotatifs n'ont généralement pas été utilisés,en partie du fait de dimensions et du poids relativement importants d'un interface mécanique entre des éléments non rotatifs et des éléments rotatifs, capable de transmettre la charge nécessaire pour changer le pas des pales. La présente invention a ainsi notamment pour buts: de réaliser un ensemble d'hélice nouveau, léger et perfectionné; de réaliser un ensemble d'hélice nouveau et perfectionné qui intègre la boite d'engrenages, le mécanisme de changement de pas et l'hélice ou les hélices en un unique dispositif; de réaliser un mécanisme de changement de pas nouveau et perfectionné pour les pales d'hélice de moteurs d'avion; de réaliser un ensemble d'hélice léger, nou veau et perfectionné ayant des hélices contra-rotatives; 15 de réaliser un ensemble d'hélice nouveau et perfectionné ayant une configuration sûre après défaillance de manière inhérente qui empêche qu'il puisse se produire une condition d'emballement; de réaliser un ensemble d'hélice nouveau et 20 perfectionné qui ne nécessite qu'une force d'actionnement relativement petite pour changer le pas de l'hélice ou des hélices. Un mode de réalisation de la présente invention a pour objets un ensemble d'hélice léger L'ensemble d'hélice comprend des première et seconde hélices tournant en sens inverse l'une de l'autre dont chacune comprend plusieurs pales montées respectivement dans des premiers moyeux et dans des seconds moyeux formant écrou à recirculation de billes Des premiers et seconds organes supports sont assemblés respectivement aux premiers moyeux et aux seconds moyeux Les organes supports sont reliés de manière active à un arbre d'entraînement par l'intermédiaire d'un train d'engrenages Le train d'engrenages est limité radialement 35 par une paroi extérieure qui est constituée par l'un des organes supports Des moyens d'actionnement non rotatifs pour changer le pas des pales sont reliés de manière active aux premières et secondes pales par l'intermédiaire de premiers et seconds paliers de butée respectifs. Un autre mode de réalisation de la présente invention a pour objet un mécanisme de changement de pas pour une pale d'hélice munie d'un pied radialement intérieur Le mécanisme comprend des moyens convertis10 seurs pour convertir la force centrifuge agissant sur la-pale d'hélice lorsqu'elle tourne en une force de changement de pas Il comprend également des moyens d'actionnement non rotatifs pour changer le pas de la pale Les moyens d'actionnement sont reliés de manière 15 active au pied de la pale par l'intermédiaire d'un palier de butée. Un autre mode de réalisation de l'invention a pour objet un ensemble d'hélice à hélices contrarotatives léger, entraîné par un arbre rotatif. L'ensemble comporte des première et seconde hélices tournant en sens inverse l'une de l'autre dont chacune comporte plusieurs pales montées respectivement sur un premier ensemble de moyeux et sur un second ensemble de moyeux Des premier et second organes supports 25 tournant en sens inverse l'un de l'autre sont assem blés respectivement au premier ensemble de moyeux et au second ensemble de moyeux Les organes supports sont reliés de manière opérante à l'arbre par l'intermédiaire d'un train d'engrenages Le train d'engrena30 ges est limité radialement par une paroi extérieure qui est constituée par l'un des organes supports. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe d'un ensemble 35 d'hélice à hélices contrarotatives selon un mode de réalisation de l'invention; figure 2, une vue en coupe partielle d'un moyeu d'hélice et d'un pied de pale. La figure 1 représente une vue d'un ensemble 5 d'hélice à hélices contrarotatives selon un mode de réalisation de la présente invention. L'arbre rotatif 10 est accouplé de manière active à un train d'engrenages 12 Comme représenté, le train d'engrenages 12 comprend un pignon plané10 taire central 14 qui est porté à l'extrémité avant de l'arbre 10 et qui, par conséquent, tourne avec l'arbre 10 Plusieurs pignons satellites 16 sont montés autour du pignon planétaire central 14 avec lequel ils engrènent Une couronne extérieure à denture inté15 rieure 18 engrène avec chacun des satellites 16 et est fixée à un organe 20 support d'hélice arrière de sorte que l'organe 20 tourne solidairement avec la couronne dentée 18 Plusieurs moyeux 42 de pale d'hélice arrière, semblables aux moyeux 40 de pale de l'hélice avant représentés de manière plus détaillée sur la figure 2, sont fixés à l'organe 20 avec lequel ils tournent. Un porte-satellite 22 comporte, à son extrémité avant, une partie de collerette 24 munie d'une série de trous alignés avec les satellites 16 Un 25 organe 36 support d'hélice avant qui comporte une collerette 38 munie de trous alignés avec les satellites est assemblé aux satellites 16 Le portesatellite 22 et le support 36 d'hélice avant sont assemblés aux pignons satellites 16 au moyen de bou30 lons 32 qui traversent les satellites 16 et les écrous 34 Des paliers de butée principaux 25 de l'hélice avant disposés au voisinage de l'extrémité arrière du portesatellite 22 assurent le support axial du porte-satellite 22 et du support 36 d'hélice 35 avant par l'intermédiaire d'une structure fixe 26 support d'hélice Plusieurs moyeux 40 de pale d'hélice avant représentés en plus de détail sur la figure 2 sont fixés à l'extrémité avant du support 36 et tournent avec lui. Le train d'engrenages 12 ainsi décrit est un train d'engrenages planétaire Ce système est capable d'entraîner en rotation deux hélices en sens inverse l'une de l'autre Plus spécifiquement, les moyeux de pale de l'hélice avant tournent avec les satellites 10 16 dans le même sens que l'arbre 10 Les moyeux 42 de pale de l'hélice arrière tournent avec la couronne dentée 18 en sens inverse de l'arbre 10 Le train d'engrenages 12 est un système du type dit système flottant, c'est-à-dire qu'il y a un partage inhérent du couple 15 entre l'hélice avant et l'hélice arrière Par exemple, si la résistance à la rotation du support 20 de l'hélice arrière s'accroît par suite d'un changement de pas de l'hélice arrière, la couronne dentée 18 se ralentit, ce qui entraîne un accroissement correspon20 dant de la vitesse de rotation axiale des satellites 16 et du support 36 de l'hélice avant De même, un accroissement de la résistance opposée à la rotation du support 36 de l'hélice avant provoque son ralentissement tout en accélérant simultanément le support 20 25 de l'hélice arrière Il apparaîtra clairement que l'on peut adapter un tel train d'engrenages de façon qu'il puisse être utilisé avec une unique hélice en immobilisant soit la couronne dentée 18 soit les satellites 16 Par exemple, si l'on supprime l'hélice arrière 46 30 et si l'on immobilise en rotation l'organe 20 support d'hélice arrière et la couronne dentée 18, on obtient ce résultat que tout le couple de l'arbre est transmis à l'hélice avant 44. Comme décrit ci-dessus, l'organe 20 support 35 d'hélice arrière est disposé coaxialement avec le train d'engrenages 12 qu'il limite radialement Ainsi, l'organe support 20 sert de paroi extérieure ou de carter tournant pour les fluides de graissage contenus à l'intérieur de la paroi Cette double fonction de support d'hélice et de carter d'engrenages a pour effet la réalisation d'économies de poids importantes par rapport aux ensembles d'hélices de la technique antérieure dans lesquels on utilise un support et un carter séparés Le train d'engrenages 12 est disposé axialement entre l'hélice avant 44 et l'hélice arrière 46 Cet agencement nouveau et original est rendu en partie possible par l'emploi de l'organe 20 support d'hélice arrière comme un carter d'huile rotatif En outre, on réalise des économies de poids supplémentaires du fait de la distance axiale réduite entre le train d'engrenages 12 et les hélices 44 et 46 sur laquelle les charges de couple doivent être transmises. Comme représenté sur la figure 1 à laquelle on continuera de se référer, un plateau de commande 28 muni 20 de plusieurs doigts 30 dirigés vers l'avant est monté à l'arrière du train d'engrenages 12 Chaque doigt 30 est monté à rotation dans un boulon creux 32 et traverse un satellite respectif 16 Aux extrémités avant des doigts 30 sont fixés des bras d'actionnement avant 48 qui relient 25 les doigts 30 à des tiges excentriques respectives 50 montées sur les surfaces radialement intérieures des pieds 52 des pales de l'hélice Le plateau de commande 28 tourne avec les satellites 16 mais il est en contact coulissant avec eux pour permettre un mouvement axial à travers les 30 satellites 16 Le mouvement axial est commandé par des moyens d'actionnement non rotatifs 54 par l'intermédiaire d'un premier organe d'actionnement 56 L'interface d'accouplement entre l'extrémité arrière du plateau de commande 28 et l'extrémité avant du premier organe d'actionnement non rotatif 56 est formée par une série de premiers paliers de butée 58. Les moyens d'actionnement non rotatifs 54 fournissent également la force d'actionnement pour l'hélice arrière 46 Une tige excentrique 60 montée sur la surface radiale intérieure de chaque pied 62 de pale de -l'hélice arrière est reliée à un bras d'actionnement arrière rotatif 64 Un second organe d'actionnement non rotatif 66 est assemblé aux moyens d'actionnement non rotatifs 54. L'interface entre le bras rotatif 64 et le second organe non rotatif 66 est formée par une série de seconds paliers de butée 68 Les moyens d'actionnement non rotatifs 54 comprennent des moyens d'actionnement non rotatifs primaires 70 pour changer le pas des pales respectives 74 et 76 des hélices avant et arrière et des moyens d'actionne15 ment non rotatifs secondaires 72 pour changer le pas des pales 74 de l'hélice avant. Comme décrit ci-dessus, les moyens d'actionnement non rotatifs 70 sont reliés de manière opérante aux pales 74 de l'hélice avant et aux pales 76 de l'hélice arrière par l'intermédiaire des premiers paliers de butée 58 et, respectivement, des seconds paliers de butée 68. Les moyens d'actionnement non rotatifs secondaires 72 sont reliés de manière opérante aux pales 74 de l'hélice avant par l'intermédiaire des premiers paliers de burée 58. 25 Dans le mode de réalisation représenté, les moyens primaires 70 comprennent des chambres annulaires 78 et 80 séparées par un paroi fixe 82 Chaque chambre est reliée à des moyens d'alimentation, non représentés, qui sont conçus pour y envoyer un fluide hydraulique Lorsqu'une 30 différence de pression est créée entre les chambres 78 et 80, les moyens primaires 70 se déplacent axialement en translation déplaçant ainsi le premier organe d'actionnement 56 et le second organe d'actionnement 66 pour changer le pas des pales 74 de l'hélice avant et des pales 35 76 de l'hélice arrière Les moyens secondaires 72, qui comprennent les organes d'actionnement 56 et 66, se déplacent en réponse aux moyens primaires 70 En outre, les moyens secondaires 72 comprennent des chambres annulaires secondaires avant et arrière 84 et, respectivement, 86 qui fonctionnent approximativement de la même manière que les chambres 78 et 80 Lorsqu'une pression différentielle est appliquée entre les chambres 84 et 86, le premier organe d'actionnement 56 répond en changeant le pas des pales 74 de l'hélice avant. Il apparaîtra clairement à la lecture de la description qui précède que les moyens d'actionnement primaires 70 permettent d'effectuer un réglage initial du pas des pales des hélices avant et arrière et assurent un réglage grossier du pas des pales de chaque hélice par 15 rapport à celui des pales de l'autre hélice Les moyens d'actionnement secondaires 72 fournissent une commande de pas complémentaire des pales de l'hélice avant et assurent un réglage précis du pas relatif entre les pales de l'hélice avant et celles de l'hélice arrière Il apparaîtra clairement aux spécialistes de la technique que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit cidessus Elle s'applique à des actionneurs non rotatifs pour des hélices simples -En outre, les moyens d'acitonnement secondaires peuvent être 25 reliés de manière opérante à l'hélice arrière De même, il est possible d'utiliser d'autres moyens d'actionnement, tels que des actionneurs électriques, à la place des actionneurs hydrauliques décrits ici. La figure 2 représente de manière plus détail30 lée une vue en coupe de l'hélice avant 44 telle que vue à partir de l'avant de l'ensemble d'hélice en regardant vers l'arrière L'hélice 44 comporte plusieurs pales 74, chaque pale comportant un pied fileté 52 Chacun des divers moyeux 40 de pale est agencé pour recevoir un 35 pied 52 respectif Chaque moyeu 40 de l'hélice est du type formant écrou à recirculation de billes dans lequel est formée une gorge hélicoïdale 184 Une gorge hélicoldale correspondante 186 formée sur le pied 52 est alignée avec la gorge 184 ce qui permet aux billes de roulement 88 d'être emprisonnées entre le moyeu 40 et le pied 52 et d'assurer ainsi la retenue radiale du pied 52 Dans le mode de réalisation représenté, le moyeu formant écrou à recirculation de billes comporte une hélice double, un second filetage étant formé par une seconde gor10 ge hélicoïdale 90 formée dans le moyeu 40 et par une seconde gorge hélicoïdale 92 formée sur le pied 52. Cependant, il apparaîtra clairement aux spécialistes de la technique que l'on peut avantageusement utiliser soit un filetage hélicoïdal simple soit un filetage hélicoïdal 15 multiple. Lorsque l'hélice 44 avec la pale 74 et le moyeu 40, tourne,la force centrifuge agit dans une direction orientée radialement vers l'extérieur sur la pale 74 et sur le pied 52 Une composante de cette force est diri20 gée suivant le filetage Ainsi, le moyeu formant écrou à recirculation de billes agit à la manière d'un dispositif convertisseur pour-convertir la force centrifuge en une force de changement de pas La pale est également soumise à une force de changement de pas qui résulte de la ten25 dance d'une pale tournante à prendre un pas nul Du fait de ce risque éventuel d'un emballement du moteur dans de telles conditions, l'angle de pas alpha (a) des filetages de l'ensemble vis-écrou à recirculation de billes est choisi de façon que la force de changement de 30 pas de l'ensemble vis-écrou à recirculation de billes dépasse cette force de changement de pas inhérente En utilisant, de cette manière, le moyeu formant écrou à recirculation de billes, on évite la nécessité d'avoir à utiliser d'autres dispositifs sûrs après défaillance plus lourds et plus coûteux En outre, du fait que l'on 1 1 utilise le moyeu formant écrou à recirculation de billes pour produire une force de changement de pas, il n'est pas besoin que les moyens d'actionnement servant à changer le pas des pales fournissent un couple aussi important qu'il 5 serait autrement nécessaire pour changer le pas des pales. Ainsi, on peut utiliser des moyens plus légers, plus simples et moins onéreux, tels que ceux décrits ci-dessus. REVENDICATIONS 1 Mécanisme de changement de pas pour ensemble d'hélice d'avion comprenant une pale ( 74) ayant un pied ( 52) radialement intérieur, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens ( 40,52,184,186,88,90,92) pour convertir la force centrifuge agissant sur la pale d'hélice lorsque celle-ci tourne en une force de changement de pas; et des moyens d'actionnement non rotatifs ( 54) pour changer le pas des pales, ces moyens d'actionnement étant reliés de manière opérante au pied ( 52) de pale par l'intermédiaire d'un palier de butée ( 58). 2 Mécanisme selon la revendication 1, caracté15 risé en ce que le pied ( 52) est fileté et en ce que les moyens convertisseurs comprennent un moyeu rotatif ( 40) formant écrou à recirculation de billes ( 88) conçu pour coopérer avec le pied fileté. 3 Mécanisme de changement de pas pour ensemble 20 d'hélice d'avion comprenant des première et seconde hélices ( 44,46), la première hélice comprenant plusieurs premières pales ( 74) et la seconde hélice comprenant plusieurs secondes pales ( 76), chacune des pales ayant un pied radialement intérieur fileté ( 52,62), ce mécanisme étant 25 caractérisé en ce qu'il comporte: plusieurs premiers et seconds moyeux formant écrous à recirculation de billes rotatifs ( 40,42), chacun des premiers moyeux ( 40) étant conçu pour coopérer avec le pied ( 52) de l'une des premières pales ( 74) et chacun 30 des seconds moyeux ( 42) étant conçu pour coopérer avec le pied ( 62) de l'une des secondes pales ( 76), chacun des moyeux convertissant la force centrifuge, qui -agit sur chacune des pales d'hélice lorsqu'elles tournent, en une force de changement de pas; et des moyens d'actionnement non rotatifs primaires ( 70) pour changer le pas des premières et secondes pales ( 74, 76), les moyens primaires étant reliés de manière operante à chacune des premières pales par l'intermédiaire d'un premier ensemble de paliers de butée ( 58) et les moyens 5 primaires étant reliés de manière opérante aux secondes pales par l'intermédiaire d'un second ensemble de paliers de butées ( 68). 4 Mécanisme selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre: des moyens d'actionnement non rotatifs secondaires ( 72) pour changer le pas soit des premières pales ( 74) soit des secondes pales ( 76), les moyens secondaires étant reliés de manière opérante auxdites pales par l'intermédiaire du premier ensemble, ou respectivement, du second en15 semble de paliers de butée. Mécanisme selon la revendication 4, caractérisé en ce que les première et secondes hélices ( 44, 46) tournent en sens inverse l'une de l'autre. 6 Ensemble d'hélice à hélices contra-rotatives 20 entraîné par un arbre rotatif ( 10), caractérisé en ce qu'il comprend: des première et secondes hélices ( 44, 46) tournant en sens inverse l'une de l'autre, la première hélice ( 44) comprenant plusieurs premières pales ( 74) et la seconde 25 hélice ( 46) comprenant plusieurs secondes pales ( 76), chacune desdites pales comprenant un pied fileté ( 52, 62); plusieurs premiers et seconds moyeux ( 40, 42) formant écrou à recirculation de billes, chacun des premiers moyeux ( 40) étant conçu pour coopérer avec le pied ( 52) de 30 l'une des premières pales ( 74) et chacun des seconds moyeux ( 42) étant conçu pour coopérer avec le pied ( 62) de l'une des secondes pales ( 76), chacun des moyeux convertissant la force centrifuge qui agit sur chacune des pales d'hélice lorsqu'elle tourne, en une force de changement de pas; des premiers et seconds organes support ( 36, 20) tournant en sensinverse l'un de l'autre assemblés respectivement au premier ensemble de moyeux et au second ensemble de moyeux; un train d'engrenages ( 12) pour accoupler l'ar bre ( 10) de manière opérante aux premier et second organes supports, le train d'engrenages étant limité radialement par une paroi extérieure, l'un au moins des organes supports formant cette paroi; et des moyens d'actionnement non rotatifs primaires 10 ( 70) pour changer le pas des premières et secondes pales ( 74, 76), les moyens primaires étant reliés de manière opérante à chacune des premières pales par l'intermédiaire d'un premier ensemble de paliers de butées ( 58) et les moyens primaires étant reliés de manière opérante aux secondes pa15 les par l'intermédiaire d'un second ensemble de paliers de butée ( 68). 7 Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que le train d'engrenages ( 12) est disposé axialement entre les première et seconde hélices ( 44, 46). 8 Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre: des moyens d'actionnement non rotatifs secondaires ( 72) pour changer le pas soit des premières pales ( 74) soit des secondes pales ( 76), les moyens secondaires étant 25 reliés de manière opérante auxdites pales par l'intermédiaire du premier ensemble ou, respectivement, du second ensemble de paliers de butée.