Brevet FR2977862A1 — publié le 20130118

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des turbopropulseurs comportant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable. Elle concerne plus particulièrement la commande d'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur d'avion à double hélice. De façon connue, un turbopropulseur d'avion à double hélice comprend une turbine entraînant deux rotors contrarotatifs entraînant chacun un ensemble de pales de soufflante non carénées. On pourra par exemple se référer au document GB 2,129,502 qui décrit différents modes de réalisation d'un tel turbopropulseur. Dans ce type de turbopropulseur, l'orientation des pales de soufflante de chaque ensemble (on parle également de réglage du pas) constitue l'un des paramètres permettant de gérer la poussée du turbopropulseur et la vitesse de rotation des hélices. Différentes solutions ont été proposées pour commander l'orientation des pales de soufflante d'un même ensemble. On pourra se référer par exemple aux demandes de brevet FR 2,946,010, FR 2,946,011 et FR 2,946,012 déposées par la Demanderesse. Dans ces documents, il est prévu de coupler les pales pour le réglage de leur orientation à un anneau de synchronisation déplacé en rotation au moyen d'un vérin central et de bras de liaison. Objet et résumé de l'invention La présente invention a pour but principal de proposer une autre solution pour la commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur qui soit simple de mise en oeuvre tout en étant fiable et de faible masse. Ce but est atteint grâce à un dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif centré sur un axe longitudinal du turbopropulseur et lié mécaniquement à un rotor, un anneau de synchronisation centré sur l'axe longitudinal du turbopropulseur et couplé à chaque pale de l'ensemble pour le réglage de leur orientation, un vérin centré sur l'axe longitudinal du turbopropulseur et solidaire en rotation du rotor, et des biellettes de commande reliées chacune d'une part à la tige du vérin et d'autre part à une extrémité interne d'un arbre cylindrique par l'intermédiaire d'une manivelle capable d'imprimer à l'arbre un mouvement de rotation autour de son axe de révolution, une extrémité externe de l'arbre étant couplée à une pale pour le réglage de son orientation. Un tel dispositif de commande présente de nombreux avantages, il est notamment fiable et léger car il possède relativement peu de pièces avec des liaisons mécaniques simples. En particulier, il n'y a pas de pièces intermédiaires de guidage en rotation ou en translation qui auraient été délicates à mettre au point et sujettes à des phénomènes d'usure. Le vérin étant centré sur l'axe longitudinal du turbopropulseur, il n'est soumis à aucun effort centrifuge et est aisément accessible pour des opérations de vérification et de maintenance. De préférence, à chaque pale est associé un contrepoids monté pivotant sur l'anneau de synchronisation et relié par un système de biellettes de contrepoids à un carter rotatif de façon à pouvoir imprimer à l'anneau de synchronisation un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal du turbopropulseur. La présence de contrepoids solidaires de l'anneau de synchronisation (plutôt que de l'anneau rotatif) permet de limiter leur masse. Dans ce cas, une position angulaire des contrepoids dirigés radialement vers l'extérieur de l'anneau de synchronisation peut correspondre à une position de mise en drapeau des pales, tandis qu'une position angulaire des contrepoids dirigées radialement vers l'intérieur de l'anneau de synchronisation en formant un angle de -30° avec un plan radial peut correspondre à une position d'inversion de poussée des pales. Chaque pale peut être fixée par son pied sur un support de pale monté pivotant sur l'anneau rotatif. Dans ce cas, chaque support de pale peut être relié à l'anneau de synchronisation par une biellette de support de pale et l'extrémité externe de chaque arbre peut être couplée par l'intermédiaire d'un engrenage conique à l'un des supports de pale. L'ensemble peut comprendre dix pales de soufflantes et le dispositif comprendre au moins deux arbres couplés chacun par leur extrémité externe à une pale. L'invention concerne également un turbopropulseur à double hélice, comportant une turbine à deux rotors contrarotatifs et deux ensembles de pales de soufflante à orientation réglable solidaires en rotation de deux anneaux rotatifs respectivement liés aux rotors, la commande de l'orientation des pales de soufflante d'au moins l'un des ensembles étant réalisée par un dispositif de commande tel que défini précédemment. Dans ce cas, les vérins des dispositifs de commande de l'orientation des pales de soufflante peuvent comprendre des chambres concentriques. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turbopropulseur à double hélice muni d'un dispositif de commande de l'orientation des hélices selon l'invention ; - la figure 2 est une vue agrandie de la figure 1 montrant la commande de l'orientation des hélices des ensembles amont et aval ; - la figure 3 est une vue en perspective montrant partiellement la commande de l'orientation des hélices de l'ensemble aval ; - les figures 4 et 5 montrent l'entraînement de l'anneau de synchronisation d'un dispositif de commande conforme à l'invention ; et - les figures 6A à 6D illustrent l'obtention de différents calages d'une pale obtenus par un dispositif de commande conforme à l'invention. Description détaillée de l'invention La figure 1 représente de façon très schématique un exemple de réalisation d'un turbopropulseur d'avion du type à double hélice. Un tel turbopropulseur est connu et ne sera donc pas décrit en détails. Le turbopropulseur 10 comprend notamment un axe longitudinal 12 et une nacelle annulaire 14 disposée coaxialement autour de l'axe longitudinal. Le turbopropulseur 10 comprend en outre, d'amont en aval, 35 un compresseur 16, une chambre de combustion 18 et une turbine 20 à deux rotors contrarotatifs 22a, 22b, ces différents éléments étant également disposés coaxialement autour de l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur. Le turbopropulseur 10 comprend encore un ensemble amont (ou avant) 24a et un ensemble aval (ou arrière) 24b de pales de soufflante 26 à orientation réglable. Les pales de soufflante 26 de chaque ensemble 24a, 24b sont plus précisément montées sur un anneau rotatif 28a, 28b en forme de plate-forme annulaire centrée sur l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur. Les pales de soufflante 26 de chaque ensemble sont par ailleurs régulièrement espacées circonférentiellement et s'étendent radialement depuis la surface de l'anneau rotatif respectif 28a, 28b (elles sont non carénées). Chaque rotor 22a, 22b porte et entraîne en rotation l'un des anneaux rotatifs 28a, 28b sur lequel est monté l'un des ensembles 24a, 24b de pales de soufflante à orientation réglable. Le turbopropulseur comprend également des dispositifs conformes à l'invention pour la commande de l'orientation des pales de soufflante de chaque ensemble 24a, 24b. En liaison avec les figures 2 et 3, chaque dispositif de commande comprend notamment un vérin 30a, 30b (ici de type hydraulique) disposé sur l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur et solidaire en rotation d'un arbre de l'un des rotors 22a, 22b. Plus précisément, dans l'exemple décrit ici, chaque vérin 30a, 30b est solidaire en rotation d'un arbre 31 du rotor entraînant en rotation l'ensemble aval 24b. Chaque vérin 30a, 30b comprend une chambre 32a, 32b alimentée en fluide hydraulique (les chambres 32a, 32b sont concentriques l'une par rapport à l'autre) de façon à pouvoir déplacer une tige 34a, 34b le long de l'axe longitudinal 12. La tige 34a du vérin 30a extérieur permet d'ajuster l'orientation des pales de l'ensemble amont 24a, tandis que la tige 34b du vérin 30b intérieur permet d'ajuster l'orientation des pales de l'ensemble aval 24b. Par ailleurs, comme le vérin 30a extérieur est solidaire en rotation de l'arbre 31 du rotor 22b alors qu'il est relié à l'ensemble amont 24a pour le réglage de l'orientation des pales de celui-ci, il est nécessaire d'introduire un palier à roulement 36 transférant le mouvement de commande du repère aval au repère amont. De façon plus précise, la bague interne 38 de ce palier à roulement 36 est montée sur l'arbre 31 du rotor 22b par l'intermédiaire de cannelures 40 et est reliée à la tige 34a du vérin 30a extérieur. Quant à la bague extérieure 42 du palier à roulement, elle est reliée au mécanisme de changement de l'orientation des pales de soufflante de l'ensemble amont. Ainsi, le palier à roulement 36 suit la rotation de l'arbre 31 du rotor 22b par rapport à un arbre du rotor 22a. La tige 34a, 34b des vérins est reliée à plusieurs biellettes de commande 44a, 44b (au moins au nombre de deux), chacune de ces biellettes étant par ailleurs reliée à une extrémité interne d'un arbre cylindrique 46a, 46b par l'intermédiaire d'une manivelle 48a, 48b (par extrémité interne, on entend ici l'extrémité de l'arbre cylindrique qui est la plus proche de l'axe longitudinal 12). Les manivelles 48a, 48b sont disposées de façon à pouvoir imprimer à l'arbre cylindrique 46a, 46b un mouvement de rotation autour de leur axe de révolution 50a, 50b. A cet effet, elles présentent chacune un doigt 52a, 52b excentré par rapport à l'axe de révolution 50a, 50b des arbres cylindriques et sur lequel vient se fixer la biellette de commande 44a, 44b. De la sorte, on comprend aisément qu'un déplacement le long de l'axe longitudinal 12 des tiges 34a, 34b des vérins provoque une traction sur les biellettes de commande, cette traction se traduisant par un mouvement de rotation des arbres cylindriques 46a, 46b autour de leur axe de révolution respectif. De plus, l'extrémité externe de chaque arbre cylindrique 46a, 46b est couplée à l'une des pales de l'ensemble correspondant pour le réglage de son orientation angulaire. Par exemple, comme représenté sur la figure 2, chaque pale 26 des ensembles 24a, 24b est couplée à un support de pied de pale 54 monté pivotant sur l'anneau rotatif (non représenté sur la figure) et l'extrémité externe de chaque arbre cylindrique est couplée par l'intermédiaire d'un engrenage conique 56 à l'un de ces supports de pale. Cet engrenage conique 56 peut être formé d'une première roue dentée 58, solidaire du support de pied de pale 54 et centrée sur un axe radial 60 à l'anneau rotatif, et d'une seconde roue dentée 62 montée sur l'extrémité externe de l'arbre cylindrique correspondant. Ainsi, une rotation des arbres cylindriques 46a, 46b autour de leur axe de révolution 50a, 50b respectif entraîne une rotation angulaire du support de pied de pale 54 correspondant autour de l'axe radial 60 correspondant. Le dispositif de commande selon l'invention comprend encore un anneau de synchronisation 64a, 64b centré sur l'axe longitudinal du turbopropulseur et de diamètre sensiblement identique à celui de l'anneau rotatif 28a, 28b respectif. Comme représenté sur les figures 4 et 5, cet anneau de synchronisation 64a, 64b est également relié à chaque support de pied de pale 54 par l'intermédiaire d'une biellette de support de pale 66. De la sorte, une rotation de l'anneau de synchronisation autour de l'axe longitudinal 12 entraîne un changement de calage angulaire identique pour chaque pale montée sur l'anneau rotatif. Ainsi, le déplacement de la tige des vérins provoque une rotation angulaire de certaines des pales de l'ensemble de pales correspondant, les autres pales de l'ensemble étant pivotées angulairement d'une même valeur par l'intermédiaire de l'anneau de synchronisation entraîné en rotation par les biellettes de support de pale. En liaison avec les figures 6A à 6D, on décrira maintenant comment sont obtenus différents calages angulaires des pales au moyen du dispositif de commande selon l'invention. A chaque pale 26 des ensembles amont et aval est associé un contrepoids 68 monté de façon pivotante sur l'anneau de synchronisation 64a, 64b correspondant. Ce contrepoids 68 est également relié par un système de biellettes de contrepoids 70 à un carter rotatif 72 de sorte à pouvoir imprimer à l'anneau de synchronisation un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal du turbopropulseur. Ainsi, comme représenté sur les figures 6A à 6D, lorsque le contrepoids 68 pivote autour d'un axe tangentiel 74 sous l'effet de la force centrifuge de rotation de l'anneau de synchronisation 64a, 64b sur lequel il est fixé, il peut provoquer un déplacement angulaire de cet anneau de synchronisation autour de l'axe longitudinal du turbopropulseur, et par conséquent un changement du calage angulaire des pales. Les figures 6A à 6D illustrent plus précisément différents calages d'une pale en fonction de la position angulaire du contrepoids 68 qui lui est associé. Sur la figure 6A, le contrepoids 68 se trouve dans une position angulaire (par rapport à son axe de pivotement 74) qui forme un angle ci de -30° avec un plan radial P. A cette position correspond une position d'inversion de poussée de la pale associée. Avec un tel calage, la pale est orientée vers l'arrière pour créer une contre-poussée pour aider au freinage de l'avion. On notera que cette position d'inversion de poussée, qui est l'une des deux positions angulaires extrêmes des pales, pourra être obtenue en calibrant les vérins du dispositif de commande de sorte que leur tige soit en position complètement rentrée. Sur la figure 6B, le contrepoids 68 se trouve dans une position angulaire dirigée radialement vers l'intérieur de l'anneau de synchronisation 64a, 64b correspondant (et qui forme un angle nul avec le plan radial P). Cette position qui offre un effort de rappel minimal sur le contrepoids peut correspondre à un calage dit « position à 0° » de la pale associée. Ce calage doit cependant être transitoire vers un passage en position d'inversion de poussée (cas de la figure 6A). Sur la figure 6C, le contrepoids 68 se trouve dans une position angulaire qui forme un angle Ç3 de +45° avec le plan radial P. Un tel calage de la pale correspond à une position de vol dans laquelle la pale est sortie pour créer de la poussée. Enfin, sur la figure 6D, le contrepoids 68 se trouve dans une position angulaire dirigée radialement vers l'extérieur de l'anneau de synchronisation 64a, 64b correspondant (et qui forme un angle nul avec le plan radial P). Cette position qui offre un effort de rappel minimal sur le contrepoids peut correspondre à une position de mise en drapeau de la pale associée. Cette position, également appelée position d'incidence minimale, est une position dans laquelle la pale est disposée (selon l'axe longitudinal du turboréacteur) dans le sens d'avancement de l'avion pour minimiser la traînée. Cette position est une position de sureté. On notera que cette position de mise en drapeau, qui est l'autre position angulaire extrême des pales (avec celle d'inversion de poussée), pourra être obtenue en calibrant les vérins du dispositif de commande de sorte que leur tige soit en position complètement sortie (c'est-à-dire en position opposée à celle obtenue pour l'inversion de poussée). REVENDICATIONS1. Dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur comprenant : au moins un ensemble (24a, 24b) de pales (26) de soufflante à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif (28a, 28b) centré sur un axe longitudinal (12) du turbopropulseur et lié mécaniquement à un rotor (22a, 22b) ; un anneau de synchronisation (64a, 64b) centré sur l'axe longitudinal du turbopropulseur et couplé à chaque pale de l'ensemble pour le réglage de leur orientation ; et un vérin (30a, 30b) centré sur l'axe longitudinal du turbopropulseur et solidaire en rotation du rotor ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre des biellettes de commande (44a, 44b) reliées chacune d'une part à la tige (34a, 34b) du vérin et d'autre part à une extrémité interne d'un arbre cylindrique (46a, 46b) par l'intermédiaire d'une manivelle (48a, 48b) capable d'imprimer à l'arbre un mouvement de rotation autour de son axe de révolution (50a, 50b), une extrémité externe de l'arbre étant couplée à une pale pour le réglage de son orientation. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel à chaque pale (26) est associé un contrepoids (68) monté pivotant sur l'anneau de synchronisation (64a, 64b) et relié par un système de biellettes de contrepoids (70) à un carter rotatif (72) de façon à pouvoir imprimer à l'anneau de synchronisation un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal du turbopropulseur. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel une position angulaire des contrepoids dirigés radialement vers l'extérieur de l'anneau de synchronisation correspond à une position de mise en drapeau des pales, tandis qu'une position angulaire des contrepoids dirigées radialement vers l'intérieur de l'anneau de synchronisation en formant un angle (a) de -30° avec un plan radial (P) correspond à une position d'inversion de poussée des pales. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque pale (26) est fixée par son pied sur un support de pale (54) monté pivotant sur l'anneau rotatif (28a, 28b). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel chaque support de pale (54) est relié à l'anneau de synchronisation (64a, 64b) par une biellette de support de pale (66). 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel l'extrémité externe de chaque arbre (46a, 46b) est couplée à l'un des supports de pale (54) par l'intermédiaire d'un engrenage conique (56). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'ensemble comprend dix pales de soufflante (26) et le dispositif comprend au moins deux arbres (46a, 46b) couplés chacun par leur extrémité externe à une pale. 8. Turbopropulseur à double hélice, comportant une turbine (20) à deux rotors (22a, 22b) contrarotatifs et deux ensembles (24a, 24b) de pales (26) de soufflante à orientation réglable solidaires en rotation de deux anneaux rotatifs (28a, 28b) respectivement liés aux rotors, la commande de l'orientation des pales de soufflante d'au moins l'un des ensembles étant réalisée par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Turbopropulseur selon la revendication 8, dans lequel les vérins (30a, 30b) des dispositifs de commande de l'orientation des pales de soufflante comprennent des chambres (32a, 32b) concentriques.