Brevet FR2983235A1 — publié le 20130531

SYSTEME MECANIQUE TOURNANT A ACTIONNEMENT SANS CONTACT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système électromécanique tournant comportant un organe monté sur un arbre mobile, qui est apte à être déplacé par rapport à l'arbre mobile. Le système électromécanique comporte un dispositif d'entraînement sans frottement dont un composant est mobile par rapport à l'arbre mobile, dont la durée de vie du dispositif d'entraînement est améliorée par la réduction les frottements entre pièces en mouvement. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans un système mécanique tournant comme par exemple une turbomachine comportant un mécanisme de calage variable du pas de pales, les pales sont portées par un arbre monté mobile en rotation autour de son axe principal. Chaque pale est en outre montée mobile par rapport à l'arbre autour d'un axe radial par rapport à l'axe principal de l'arbre, pour modifier le pas de la pale. L'entraînement des pales en rotation est réalisé par l'intermédiaire d'un système d'entraînement qui est relié aux pales et dont une partie est montée sur l'élément de structure de la turbomachine. Selon des exemples de réalisation connus, les moyens d'entraînement des pales consistent en des systèmes hydrauliques à joint tournant ou des systèmes électriques ou électroniques à contacts tournants. De tels modes de réalisation comportent de nombreux éléments mobiles qui sont en contact les uns avec les autres. Cela a pour conséquences une usure des composants et une production de chaleur importante. Ainsi, le système mécanique comporte aussi des moyens de refroidissement et de lubrification pour limiter l'échauffement et l'usure de ces composants. Aussi, il est parfois nécessaire d'effectuer des opérations régulières de maintenance du système mécanique. L'invention a pour but de proposer un système mécanique pour lequel les moyens d'entraînement des pales en déplacement par rapport à l'arbre sont réalisés de manière à limiter les frottements entre les éléments mobiles. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention propose un système mécanique comportant : - un arbre qui est monté mobile en rotation autour de son axe principal par rapport à un élément de structure ; - un organe mobile qui est monté sur l'arbre de manière telle qu'il est solidaire de l'arbre en rotation autour de l'axe principal et de manière telle qu'il est apte à être déplacé par rapport à l'arbre de manière sélective ; - des moyens d'entraînement de l'organe 30 mobile en déplacement par rapport à l'arbre qui comportent une première partie fixe qui est montée sur l'élément de structure et une deuxième partie mobile qui est montée sur l'arbre et qui est reliée à l'organe mobile, caractérisé en ce que les moyens 5 d'entraînement consistent en un actionneur électromécanique à entrefer entre la première partie et la deuxième partie. L'entrefer entre les deux parties de l'actionneur permet d'éliminer tout contact entre les 10 éléments reliés à l'élément de structure et les éléments qui sont mobiles par rapport à l'élément de structure, ce qui réduit par conséquent les frottements. De préférence, les moyens d'entraînement 15 consistent en un actionneur électromécanique à entrefer à champ radial. De préférence, les moyens d'entraînement consistent en un actionneur électromécanique à entrefer à champ axial. 20 De préférence, la deuxième partie des moyens d'entraînement est montée mobile en rotation de manière coaxiale à l'arbre et est reliée à l'arbre par des moyens de guidage en rotation autour de l'axe principal de l'arbre. 25 De préférence, le système mécanique comporte des moyens de transformation du mouvement de rotation de la deuxième partie par rapport à l'arbre en un déplacement de l'organe mobile par rapport à l'arbre qui comportent un organe d'entrée de mouvement relié à 30 la deuxième partie, ledit organe d'entrée de mouvement étant mobile en rotation de manière sélective par rapport à l'arbre lors du déplacement de l'organe mobile. De préférence, le système mécanique comporte des moyens de commande des moyens d'entraînement pour commander la vitesse de rotation de la deuxième partie des moyens d'entraînement par rapport à la première partie, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre. De préférence, les moyens de commande sont réalisés de manière à provoquer une rotation de l'organe d'entrée de mouvement autour de l'arbre pour entraîner un déplacement de l'organe mobile par rapport à l'arbre. De préférence, l'organe mobile est monté mobile en rotation par rapport à l'arbre autour d'un axe secondaire (B) d'orientation radiale par rapport à l'axe principal, ledit axe secondaire (B) étant solidaire de l'arbre en rotation autour de l'axe principal. L'invention propose aussi une turbomachine d'aéronef caractérisée en ce qu'elle comporte un système mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe mobile consiste en une pale à orientation variable. De préférence, la turbomachine comporte une pluralité de pales réparties autour de l'axe principal de l'arbre. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - la figure 1 est une représentation schématique d'un système mécanique selon l'invention ; - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1, montrant un deuxième mode de réalisation des moyens de transformation de mouvement ; - la figure 3 est une représentation schématique en détails d'un système mécanique selon l'invention pour lequel les moyens d'entraînement consistent en une machine synchrone ou asynchrone à aimants ; - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3, dans laquelle les moyens d'entraînement consistent en une machine synchrone à inducteur bobiné ; - la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 3, dans laquelle les moyens d'entraînement consistent en une machine synchrone à entrefer axial. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On a représenté sur les figures un système mécanique 10 tel qu'un rotor de turbomachine comportant un arbre 12 mobile en rotation autour de son axe principal A, par rapport à un élément de structure 14 de la turbomachine. Cet élément de structure peut être lui-même fixe dans la turbomachine, ou bien il peut être mobile dans la turbomachine. Par souci de clarté, l'élément de structure 14 sera considéré comme étant fixe par rapport à l'arbre 12. L'arbre porte une pluralité de pales 16 qui sont réparties de manière régulière autour de l'arbre 12 par rapport à l'axe principal A et qui sont solidaires de l'arbre 12 en rotation par rapport à l'élément de structure 14, autour de l'axe principal A. Le système mécanique 10 comporte des moyens de réglage du pas des pales 16 pour l'adapter aux conditions de fonctionnement de la turbomachine. Ainsi, chaque pale 16 est montée mobile par rapport à l'arbre 12 autour d'un axe secondaire B d'orientation principale radiale par rapport à l'axe principal A. Chaque axe secondaire B est un axe principal de la pale 16 associée, il est donc mobile en rotation autour de l'axe principal A de manière solidaire à l'arbre 12. Les moyens de réglage du pas des pales 16 comportent des moyens d'entraînement 18 de chaque pale 16 en rotation autour de l'axe secondaire B associé. Les moyens d'entraînement comportent 15 principalement une première partie fixe 20 qui est fixée à l'élément de structure 14 et une deuxième partie mobile 22 qui est reliée à chaque pale 16. La deuxième partie est monté mobile par rapport à l'élément de structure 14 en rotation autour 20 de l'axe principal A. Ici, la première partie 20 et la deuxième partie 22 sont coaxiales à l'arbre 12 et consistent en deux éléments de révolution qui sont superposés radialement sur l'arbre 12. 25 Les moyens d'entraînement 18 consistent en un actionneur électromécanique à entrefer. C'est-à-dire qu'un jeu est présent entre la partie fixe 20 et la partie mobile 22. Ainsi, il n'y a aucun contact mécanique 30 entre la partie fixe 20 et la partie mobile. L'entraînement de la partie mobile 22 en rotation par rapport à la partie fixe 20 est réalisé par des efforts électromagnétiques ne nécessitant aucun contact entre les deux parties 20, 22. Selon un premier mode de réalisation représenté à la figure 3, les moyens d'entraînement 18 consistent en une machine synchrone à aimant permanent. Selon ce mode de réalisation, la partie mobile 22 porte un ou plusieurs aimants permanents (non représentés) et la partie fixe 20 comporte des moyens pour produire un champ électromagnétique qui provoque la rotation de la partie mobile portant le ou les aimants permanents. Selon un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 4, les moyens d'entraînement 18 consistent en une machine synchrone à inducteur bobiné. Selon ce mode de réalisation, la partie mobile 22 porte un ou plusieurs bobinages qui sont alimentés en courant électrique de manière à former un ou plusieurs électroaimants. Selon l'invention, pour supprimer tout contact électrique entre la partie fixe 20 et la partie mobile 22, la partie mobile 22 est alimentée par l'intermédiaire d'un système à induction de courant 24 qui est lui aussi du type sans contacts. Selon un autre mode de réalisation, les moyens d'entraînement 18 consistent en une machine asynchrone. Lors du fonctionnement du système mécanique 10, l'arbre 12 et la partie mobile 22 tournent tous les deux autour de l'axe principal A. Le système mécanique 10 est réalisé de manière telle que la deuxième partie 22 est apte à tourner à une vitesse différente de la vitesse de rotation de l'arbre 12 pour permettre le déplacement des pales 16. Aussi, puisqu'aucun contact n'existe entre la deuxième partie 22 et la première partie 20, et plus généralement entre la deuxième partie 22 et l'élément de structure 14, le guidage en rotation de la deuxième partie 22 autour de l'axe principal A est réalisé par des moyens de liaison 26 de la deuxième partie 22 avec l'arbre 12 qui sont des moyens de guidage de la deuxième partie 22 en rotation par rapport à l'arbre 12 autour de l'axe principal A. Comme on peut le voir aux figures 1 et 2, la deuxième partie 22 des moyens d'entraînement 18 est en outre reliée aux pales 16 par l'intermédiaire de moyens de transformation du mouvement 28. Les moyens de transformation de mouvement 28 sont montés sur l'arbre 12 de manière qu'ils sont solidaires de l'arbre 12 en rotation autour de l'arbre principal A. Les moyens de transformation de mouvement 28 comportent un organe d'entrée de mouvement 36 qui est relié à la deuxième partie 22 des moyens d'entraînement 18. L'organe de transformation de mouvement 36 est apte à tourner autour de l'arbre 12 de manière sélective en fonction de la vitesse de rotation de la deuxième partie 22 des moyens d'entraînement 18 autour de l'axe principal A. Les moyens de transformation de mouvement 28 sont réalisés de manière que lorsque l'organe d'entrée de mouvement 36 tourne par rapport à l'arbre 12, chaque pale 16 tourne autour de l'axe secondaire B associé. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, les moyens de transformation de mouvement 28 sont du type comportant un accouplement à engrenages coniques 32. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 2, les moyens de transformation de mouvement 28 sont du type comportant un système à vilebrequin 34. Ici, l'organe d'entrée de mouvement 36 est relié à la deuxième partie 22 des moyens d'entraînement 18 par l'intermédiaire d'un système d'engrenages 30 pour modifier la vitesse de rotation de l'organe 15 d'entrée de mouvement 36 autour de l'axe principal A par rapport à la vitesse de rotation de la deuxième partie 22 autour de l'axe principal A. Le rapport de démultiplication de ce système d'engrenages 30 est déterminé de manière à 20 réduire ou bien augmenter la vitesse de rotation de la deuxième partie 22, selon le type d'actionneur constituant les moyens d'entraînement 18 et selon les plages de vitesses de rotation de l'arbre 12. Selon une variante, la deuxième partie 22 25 des moyens d'entraînement 18 est reliée directement à l'organe d'entrée de mouvement 36. Les moyens d'entraînement 18 comportent aussi des moyens de régulation (non représentés) qui sont conçus de manière à réguler la vitesse de rotation 30 de la deuxième partie 22 par rapport à l'élément de structure 14 en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre 12 par rapport à l'élément de structure 14 et en fonction du rapport de réduction du système d'engrenages 30. Les moyens de régulation sont réalisés de manière à provoquer sélectivement une rotation de l'organe d'entrée de mouvement par rapport à l'arbre 12, lorsque l'orientation des pales 16 doit être modifiée. En effet, lors du fonctionnement du système mécanique 10, et lorsque les pales 16 ne doivent pas se déplacer par rapport à l'arbre 12, l'organe d'entrée de mouvement 36 doit rester immobile par rapport à l'arbre 12, c'est-à-dire qu'il tourne à la même vitesse que l'arbre 12 par rapport à l'élément de structure 14. Ainsi, la vitesse de rotation de la deuxième partie 22 par rapport à l'élément de structure 14 est définie pour que la vitesse de rotation de l'organe d'entrée de mouvement 36 par rapport à l'élément de structure 14 soit égale à la vitesse de rotation de l'arbre 12 par rapport à l'élément de structure 14. Par contre, lorsque l'orientation des pales 16 doit être modifiée, les moyens de régulation modifient la vitesse de rotation de la deuxième partie 22 par rapport à l'élément de structure 14 pendant un certain temps de manière que l'organe d'entrée de mouvement 36 tourne par rapport à l'arbre 12 d'un angle prédéfini correspondant à la modification de position angulaire de chaque pale 16. La modification de la vitesse de rotation de la deuxième partie 22 par rapport à l'élément de structure 14 peut consister en une augmentation, en une diminution ou en une inversion de la vitesse de rotation de la deuxième partie 22. Lorsque la position angulaire désirée de 5 chaque pale 16 est obtenue, les moyens de régulation modifient la vitesse de rotation de la deuxième partie 22 par rapport à l'élément de structure 14 pour que l'organe d'entrée de mouvement 36 tourne à la même vitesse que l'arbre 12 par rapport à l'élément de 10 structure 14 et donc pour que l'organe d'entrée de mouvement 36 soit immobile par rapport à l'arbre 12. A titre d'exemple non limitatif, pour lequel les moyens d'entraînement 18 consistent en un moteur synchrone à aimants permanents, la fréquence 15 d'alimentation au niveau de la partie fixe 20 doit compenser la vitesse de rotation de l'arbre 12 par rapport à l'axe principal A. On définit ainsi "F12" comme étant la fréquence de rotation différentielle de l'arbre 12 par 20 rapport à la première partie 20 (par exemple pour une vitesse de rotation de l'arbre 12 par rapport à l'axe principal A de 1200 tr/min cela correspond à une fréquence F12 de 20 Hz). On définit aussi "p" comme étant le nombre 25 de paires de pôles de la machine synchrone à aimants. Pour obtenir une fréquence de rotation relative "F22" de la deuxième partie 22 par rapport à l'arbre 12, il faudra une fréquence d'alimentation de la machine synchrone à aimant de p*(F12+F22). 30 Pour une machine synchrone à aimant possédant 3 paires de pôles et une vitesse maximale d'entrainement de 10200 tr/min on obtient une fréquence d'alimentation maximale de 3*(20Hz+170Hz)=570Hz. Dans le cas de l'utilisation d'un moteur asynchrone, la fréquence d'alimentation de la machine asynchrone est définie par la formule p*(F12+F22+Fr) où Fr est la fréquence des courants rotoriques dans la deuxième partie 22. Fr est plus ou moins importante suivant le couple exercé et le point de fonctionnement. Pour une machine asynchrone possédant 3 paires de pôle et une vitesse maximale d'entrainement de 1200 tr/min on obtient par exemple en régime établi une fréquence d'alimentation maximale de 3*(20Hz+170Hz+10Hz)=600Hz. Il sera compris que la modification de la vitesse de rotation de la deuxième partie 22 peut être effectuée de manière continue, pour éviter tout à-coup. Selon les modes de réalisation représentés aux figures 1 à 4, les moyens d'entraînement 18 sont du 20 type à entrefer à champ radial, c'est-à-dire que la partie fixe 20 et la partie mobile 22 sont coaxiales et sont décalées radialement l'une par rapport à l'autre. Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et que les moyens 25 d'entraînement 18 peuvent être d'autre type, tel que par exemple représenté à la figure 5 dans lequel les moyens d'entraînement sont du type à entrefer à champ axial. Selon ce mode de réalisation, la partie 30 fixe 20 et la partie mobile 22 sont décalées axialement l'une par rapport à l'autre. Selon encore un autre mode de réalisation (non représenté), les moyens d'entraînement 18 sont du type combinant un entrefer à champ radial et un entrefer à champ axial. Aussi, l'invention a été décrite en association avec des pales 16 de la turbomachine qui sont mobiles en rotation par rapport à l'axe secondaire B. Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et que l'invention peut être associée à tout élément qui est monté mobile le long de l'axe secondaire B en translation le long de l'axe secondaire B ou selon un mouvement combinant une translation et une rotation par rapport à l'axe secondaire B.15 REVENDICATIONS1. Système mécanique (10) comportant : - un arbre (12) qui est monté mobile en rotation autour de son axe principal par rapport à un élément de structure (14) ; - un organe mobile (16) qui est monté sur l'arbre (12) de manière telle qu'il est solidaire de l'arbre (12) en rotation autour de l'axe principal (A) et de manière telle qu'il est apte à être déplacé par rapport à l'arbre (12) de manière sélective ; - des moyens d'entraînement (18) de l'organe mobile (16) en déplacement par rapport à 15 l'arbre (12) qui comportent une première partie fixe (20) qui est montée sur l'élément de structure (14) et une deuxième partie mobile (22) qui est montée sur l'arbre (12) et qui est reliée à l'organe mobile (16), caractérisé en ce que les moyens 20 d'entraînement (18) consistent en un actionneur électromécanique à entrefer entre la première partie (20) et la deuxième partie (22). 2. Système mécanique (10) selon la 25 revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement (18) consistent en un actionneur électromécanique à entrefer à champ radial. 3. Système mécanique (10) selon l'une 30 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement (18) consistent enun actionneur électromécanique à entrefer à champ axial. 4. Système mécanique (10) selon l'une 5 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième partie (22) des moyens d'entraînement (18) est montée mobile en rotation de manière coaxiale à l'arbre (12) et est reliée à l'arbre (12) par des moyens de guidage (26) en rotation autour 10 de l'axe principal (A) de l'arbre (12). 5. Système mécanique (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (28) de transformation du mouvement 15 de rotation de la deuxième partie (22) par rapport à l'arbre (12) en un déplacement de l'organe mobile (16) par rapport à l'arbre (12) qui comportent un organe d'entrée de mouvement (36) relié à la deuxième partie (22), ledit organe d'entrée de mouvement (36) étant 20 mobile en rotation de manière sélective par rapport à l'arbre (12) lors du déplacement de l'organe mobile (16). 6. Système mécanique (10) selon la 25 revendication précédente, caractérisé en ce que il comporte des moyens de commande des moyens d'entraînement (18) pour commander la vitesse de rotation de la deuxième partie (22) des moyens d'entraînement (18) par rapport à la première partie 30 (20), en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre (12). 7. Système mécanique (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de commande sont réalisés de manière à provoquer une rotation de l'organe d'entrée de mouvement (36) autour de l'arbre (12) pour entraîner un déplacement de l'organe mobile (16) par rapport à l'arbre (12). 8. Système mécanique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe mobile (16) est monté mobile en rotation par rapport à l'arbre (12) autour d'un axe secondaire (B) d'orientation radiale par rapport à l'axe principal (A), ledit axe secondaire (B) étant solidaire de l'arbre (12) en rotation autour de l'axe principal (A). 9. Turbomachine d'aéronef caractérisée en ce qu'elle comporte un système mécanique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'organe mobile (16) consiste en une pale à orientation variable. 10. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comporte une 25 pluralité de pales (16) réparties autour de l'axe principal (A) de l'arbre (12).