Brevet FR3009015A1 — publié le 20150130

Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif de commande du calage des pales d'un rotor d'hélice, ainsi qu'une hélice comprenant un tel dispositif. Présentation de l'Art Antérieur Les hélices de turbomachine comprenant au moins un rotor et des pales à calage géométrique variable sont connues de l'état de la technique. Le calage géométrique est l'angle formé par la corde du profil de la pale et le plan de rotation de l'hélice. A cet effet, comme illustré en Figures 1 et 2, on connaît un dispositif comprenant un arbre 102 radial lié à la pale 100 par un pivot 105. Des cannelures présentes sur l'arbre 102 radial coopèrent avec des cannelures 107 complémentaires présentes sur la surface intérieure du pivot 105 afin de transmettre la rotation de l'arbre 102 radial au pivot 105. Une biellette 103 à déplacement axial commande la rotation de l'arbre 102 radial. Un vérin 104 commande le déplacement axial de la biellette 103, et permet de régler le calage de l'ensemble des pales. En général, le pivot est en titane, et l'arbre radial en acier ou en un alliage à base de nickel. Ceci résulte du fait que le pivot se trouve dans une zone froide (température inférieure à 200°C), tandis que l'arbre radial se trouve dans une zone chaude, qui est la veine d'éjection de la turbine (température supérieure à 300°C voire 450°C). Les cannelures permettant la transmission de la rotation doivent supporter des déplacements radiaux et azimutaux (rotulage) entre le pivot et l'arbre radial, résultant des dilatations différentes en fonction de la température, et des désalignements, dus aux déformations sous les charges de la poussée. Ces déplacements entraînent une usure du pivot et de l'arbre radial, l'usure étant présente de manière prépondérante sur le pivot du fait de sa composition en titane. En outre, il est primordial de limiter les transferts thermiques entre l'arbre radial et le pivot liés à l'architecture du moteur (propulseur en aval de la turbine et des gaz chauds). L'arbre radial, situé dans une zone chaude, transmet sa chaleur au pivot, ce qui est préjudiciable pour le fonctionnement du pivot, des roulements, et du pied de pale qui est en général en matériau composite. Présentation de l'invention Afin de répondre à ces besoins, l'invention propose un dispositif de 10 commande du calage des pales d'un rotor d'une hélice, comprenant : - un arbre radial, - un pivot solidaire de la pale, la rotation de l'arbre radial entraînant la rotation du pivot pour la modification du calage de la pale, caractérisé en ce qu'il comprend : 15 - un insert fixé rigidement au pivot de sorte à bloquer leur déplacement relatif, l'arbre radial étant configuré pour entraîner en rotation l'insert, - au moins un pion traversant l'insert et le pivot pour la transmission de la rotation de l'insert au pivot, - un élément d'isolation thermique disposé entre l'insert et le pivot, 20 dont la conductivité thermique est inférieure à la conductivité thermique du pivot et de l'arbre radial. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : 25 - l'insert est fixé au pivot par l'intermédiaire d'au moins une vis ; - l'élément d'isolation thermique entoure la circonférence d'au moins une partie du pion ou de la vis ; - l'élément d'isolation thermique est constitué d'une lame d'air ; - la lame d'air présente une hauteur inférieure ou égale à environ 30 1 mm ; - l'élément d'isolation thermique est constitué d'un matériau dont la conductivité thermique est inférieure à la conductivité thermique du pivot et de l'arbre radial ; - l'élément d'isolation thermique est constitué d'une pièce annulaire comprenant : o une ouverture centrale, pour le passage de l'arbre radial ; o une ou plusieurs ouvertures circonférentielles. - l'élément d'isolation thermique comprend un ou plusieurs anneaux entourant au moins une partie d'un pion, ou d'une vis liant l'arbre radial au pivot ; - le matériau de l'élément d'isolation présente une conductivité thermique comprise entre 0.01 et 10 W/m/K à 20°C ; - le matériau de l'élément d'isolation est choisi par exemple, mais non limitativement, parmi le graphite ou l'oxyde de zirconium. L'invention concerne également une hélice comprenant un rotor et des pales, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de commande du calage tel que décrit précédemment. L'invention permet d'offrir une solution répondant à la fois à la protection contre l'usure des cannelures et au problème de l'isolation thermique du pivot vis-à-vis de l'arbre radial. La solution est avantageuse car elle nécessite un changement de matériau limité au strict nécessaire. La solution implique un encombrement réduit et un accroissement réduit de la masse. En outre, la solution présente une robustesse accrue. Enfin, la solution s'adapte de manière simple et efficace aux dispositifs de commande de l'état de la technique. Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - les Figures 1 et 2 représentent un dispositif de commande du calage des pales de l'art antérieur ; - la Figure 3 est une représentation schématique du dispositif de commande dans lequel l'élément d'isolation thermique est un matériau; - la Figure 4 est une représentation d'un mode de réalisation d'un élément d'isolation thermique ; - la Figure 5 est une représentation d'un autre mode de réalisation d'un élément d'isolation thermique ; - la Figure 6 est une représentation schématique du dispositif de commande dans lequel l'élément d'isolation thermique est une lame d'air. Description détaillée Dispositif de commande du calage des pales On a représenté en Figure 3 un mode de réalisation d'un dispositif 1 de commande du calage des pales d'un rotor d'une hélice. Le dispositif 1 comprend un arbre 6 radial, et un pivot 8 solidaire de la pale. De manière classique, le pied 4 de la pale est monté dans le pivot 8. A cet effet, le pivot 8 comprend notamment une portion cylindrique dans lequel un évidement a été pratiqué. Le pivot 8 est de manière générale une pièce axisymétrique 25 comprenant en outre un autre évidement en son centre permettant la réception de l'extrémité distale de l'arbre 6 radial. Les pales sont du type à calage variable, c'est-à-dire qu'elles peuvent tourner autour de leurs axes de façon à optimiser leur position angulaire en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine. 30 La rotation de l'arbre 6 radial entraîne une rotation du pivot 8 autour de son axe, ce qui permet de produire la rotation de la pale autour de son axe (parallèle à l'axe radial de la soufflante). L'orientation de l'arbre 6 radial autour de son propre axe permet donc de modifier le calage des aubes. Le dispositif 1 comprend en outre un insert 12 disposé entre le pivot 8 et l'arbre 6 radial. L'insert 12 est une pièce d'interface entre le pivot 8 et l'arbre 6 radial. L'insert 12 est une pièce axisymétrique, par exemple de type annulaire. L'insert 12 est fixé rigidement au pivot 8 de sorte à bloquer leur déplacement relatif. Ainsi, l'insert 12 ne peut glisser ou se décaler par rapport au pivot 8, mais est, au contraire, rigidement assemblé avec le pivot 10 8. L'arbre 6 radial est configuré pour entraîner en rotation l'insert 12. Ainsi, lorsque le calage des pales doit être modifié, un vérin (non représenté) du dispositif 1 entraîne une rotation de l'arbre 6 radial, qui entraîne en rotation l'insert 12 et par là, le pivot 8 qui lui est solidaire. Le 15 pied de la pale, retenu par le pivot 8, est également entraîné en rotation. Dans un mode de réalisation, l'insert 12 est en acier ou dans un alliage comprenant du nickel (par exemple INCONEL). Etant donné que l'arbre 6 radial est généralement également en acier ou dans un alliage à base de nickel, les contacts entre l'arbre 6 radial et l'insert 12 ne génèrent 20 pas une usure problématique. En outre, l'insert 12 étant fixé rigidement au pivot 8, il n'existe donc pas de déplacements ou de frottements sur le pivot 8, qui est donc préservé. L'insert 12 peut également être en tout matériau dont la dureté est supérieure à 350 HB (Dureté Brinell). 25 La transmission de la rotation de l'arbre 6 radial vers l'insert 12 s'effectue via des éléments de transmission de la rotation. Il peut par exemple s'agir de cannelures 20, portées par l'insert 12 sur sa surface intérieure, qui coopèrent avec des cannelures 21 complémentaires portées par l'arbre 6 radial sur sa surface externe. 30 En outre, le dispositif 1 comprend au moins un pion 24, ou une pluralité de pions 24, traversant l'insert 12 et le pivot 8 pour la transmission de la rotation de l'insert 12 au pivot 8. Pour assurer l'assemblage de l'insert 12 avec le pivot 8, il est possible de prévoir au moins une vis 23, ou une pluralité de vis 23, traversant l'insert 12 et le pivot 8. Selon une réalisation possible, l'insert 12 présente une bride 34 de fixation, en saillie sur la partie externe de l'insert 12. Une extrémité des pions 24 traverse des trous 25 de réception pratiqués dans la bride 34 de l'insert 12. Les trous 25 présentent un diamètre ajusté au diamètre des pions 24. Une autre extrémité des pions 24 s'étend dans des logements complémentaires prévus dans le pivot 8. La partie centrale des pions 24 est située en dehors de l'insert 12 et du pivot 8. Les pions 24 sont prisonniers entre l'insert 12 et le pivot 8. Les extrémités des vis 23 traversent quant à elles des trous 38 de fixation pratiquées dans cette bride 34 ainsi que le pivot 8. La partie centrale des vis 23 est située en dehors de l'insert 12 et du pivot 8. Les vis 23 permettent d'assurer la cohésion de l'insert 12 et du pivot 8. La transmission du couple de rotation entre l'insert 12 et le pivot 8 est réalisée par les pions 24 qui travaillent en cisaillement. Les pions 24 permettent également une indexation angulaire de l'insert 12 par rapport au pivot 8. Les pions 24 sont ajustés de manière précise dans leurs trous afin de permettre une indexation angulaire précise. Selon un aspect, on réalise un détrompage afin d'éviter une confusion lors du montage des vis 23 et des pions 24 dans leurs trous respectifs. A cet effet, les pions 24 comprennent des épaulements 26, et des lamages sont prévus dans le pivot 8, complémentaires desdits épaulements 26. Les trous 38 de fixation des vis ayant un diamètre supérieur à celui des trous 25 de réception des pions, et les vis 23 pouvant avoir un diamètre inférieur à celui des pions 24, les lamages présents dans le pivot et les épaulements 26 assurent le détrompage recherché. Par exemple, les pions 24 et les vis 23 peuvent avoir un diamètre de 6.35 mm, les trous 25 de réception des pions 24 un diamètre de 6.37 mm et les trous 38 de fixation des vis 23 un diamètre de 6.9 mm. Au moins un pion 24 est nécessaire afin de disposer d'une indexation angulaire précise, et pour transmettre le couple de rotation. Une pluralité de pions 24, régulièrement répartis sur la circonférence de la bride 34 de fixation, peut également être utilisée (par exemple 2, 3 ou 4 vis et pions). De même, une vis 23 ou une pluralité de vis 23 peuvent être utilisées. Le nombre de pions 24 est à dimensionner en fonction de leur encombrement et de leur capacité de transmission de couple par cisaillement. Le nombre de vis 23 peut être égal ou inférieur au nombre de pions 15 24, étant donné que ces vis 23 assurent l'assemblage du pivot 8 et de l'insert 12 mais ne transmettent pas d'autres efforts que leur serrage. Lors de l'assemblage, les vis 23 sont insérées par le dessus (selon l'axe radial du dispositif) et les pions 24 par le dessous. 20 Isolation thermique Le dispositif 1 comprend en outre un élément 15 d'isolation thermique disposé entre l'insert 12 et le pivot 8. L'élément 15 vient donc s'intercaler entre l'insert 12 et le pivot 8. En particulier, l'élément 15 peut s'intercaler entre la bride 34 de fixation et la partie du pivot 8 en regard de 25 cette bride 34. La conductivité thermique de l'élément 15 d'isolation thermique est inférieure à la conductivité thermique du pivot 8 et de l'arbre 6 radial. En outre, la conductivité thermique de l'élément 15 d'isolation thermique est inférieure à la conductivité thermique de l'insert 12 (en général, la 30 conductivité thermique de l'insert 12 est proche de celle de l'arbre 6 radial). A titre d'exemple, l'élément 15 d'isolation peut notamment présenter une conductivité thermique jusqu'à dix fois plus faible que celle du pivot 8 et de l'arbre 6 radial. L'élément 15 d'isolation thermique permet ainsi de préserver le pivot 8 de la chaleur transmise par l'arbre 6 radial qui est situé dans une zone chaude de la turbomachine (par exemple de l'ordre de 300°C). L'élément 15 d'isolation thermique peut notamment être disposé de sorte à entourer la circonférence d'au moins une partie du pion 24 ou de la vis 23. En particulier, seules les extrémités du pion 24 ou de la vis 23 sont logées dans l'insert 12 et le pivot 8, tandis que la partie centrale du pion 24 ou de la vis 23 est entourée le long de sa circonférence par l'élément 15 d'isolation thermique. Ainsi, l'utilisation de pions (et de vis) permet de diminuer la surface de contact entre l'arbre 6 radial et le pivot 8, et donc les transferts thermiques. En effet, les pions et les vis permettent d'éviter que le pivot 8 et l'insert 12 (lié à l'arbre 6 radial) ne soient directement en contact le long de leur circonférence. En outre, l'élément 15 d'isolation thermique réduit d'avantage les transferts thermiques entre l'arbre 6 radial et le pivot 8. Isolation thermique par un matériau Selon un mode de réalisation possible, l'élément 15 d'isolation thermique est constitué d'un matériau dont la conductivité thermique est inférieure à la conductivité thermique du pivot 8 et de l'arbre 6 radial. Ce matériau permet donc de diminuer la résistance thermique de contact de l'ensemble, étant donné que la conduction thermique se fait au travers d'un matériau ayant une conductivité thermique réduite comparée à celle du pivot 8 et de l'arbre 6 radial. Dans ce mode de réalisation, l'élément 15 d'isolation thermique présente typiquement une hauteur comprise entre 1mm et 10mm (ces valeurs étant non limitatives). A titre indicatif mais non limitatif, le pivot 8 présente par exemple une conductivité thermique comprise entre 20 et 50 W/m/K à 20°C (matériau de type acier ou titane), et l'arbre 6 radial présente une conductivité thermique comprise entre 30 et 60 W/m/K à 20°C (matériau de type Inconel). Des exemples de matériau pour l'élément 15 d'isolation thermique sont le graphite, dont la conductivité thermique est environ égale à 6 W/m/K à 100°C (comme par exemple des cales pelables en lamelles de graphique), et l'oxyde de zirconium, dont la conductivité thermique est environ égale à 1.7 W/m/K à 100°C. En particulier, l'élément 15 d'isolation thermique peut notamment présenter une conductivité thermique comprise entre 0.01 et 10 W/m/K à 20°C. D'autres matériaux peuvent être utilisés, le choix dépendant notamment de la conductivité thermique dudit matériau par rapport à celle pivot 8 et de l'arbre 6 radial, ainsi que d'autres critères comme la masse du matériau. Selon un mode de réalisation illustré en Figure 4, l'élément 15 d'isolation thermique est constitué d'une pièce 28 annulaire comprenant : - une ouverture 25 centrale, pour le passage de l'arbre 6 radial ; - une ou plusieurs ouvertures 27 circonférentielles pour le passage de pions 24, et le cas échéant, de vis 23. Les ouvertures 27 sont réparties sur la circonférence de sorte à correspondre à la position des pions 24, et le cas échéant, des vis 23. L'intégration de la pièce 28 dans le dispositif 1 s'effectue par 25 coopération de l'ouverture 25 centrale avec l'arbre 6 radial et des ouvertures 27 circonférentielles avec les pions 24, et le cas échéant, les vis 23. La surface de contact de conduction thermique se limite donc à la surface de contact du ou des pions 24 avec l'arbre 6 et le pivot 8 ainsi que 30 la surface de contact de la pièce 28 avec le pivot 8 et l'arbre 6. Or, comme mentionné précédent, la pièce 28 réduit la conduction thermique de par sa composition. Selon une autre variante illustrée en Figure 5, l'élément 15 d'isolation thermique comprend un ou plusieurs pièces annulaires 30. Les pièces annulaires 30 sont distinctes, et n'appartiennent pas à un ensemble commun. Les pièces annulaires 30 entourent au moins une partie du ou des pions 24, et le cas échéant au moins une partie de la vis 23 (ou des vis 23), comme en particulier la partie centrale du pion 24 (respectivement de la vis 23) non logée dans l'insert 12 et le pivot 8. Isolation thermique par une lame d'air Dans ce mode de réalisation illustré en Figure 6, l'élément 15 d'isolation est constitué d'une lame 19 d'air. La lame 19 d'air est introduite entre l'insert 12 et le pivot 8, et sépare l'insert 12 du pivot 8. En particulier, elle entoure la partie centrale du pion 24 ou de la vis 23 qui n'est pas introduite dans le pivot 8 et l'insert 12. Il en résulte alors une surface de contact très réduite entre le pivot 8 et l'insert 12 (et donc l'arbre 6 radial), qui est limitée aux seuls éléments d'assemblages tels que les pions 24 ou les vis 23. Dans le cas de la vis 23, un jeu de montage est présent entre les surfaces de la vis 23 en contact avec le pivot 8 selon la direction axiale (axe de l'hélice), tandis qu'aucun jeu n'est présent entre les surfaces de la vis 23 en contact avec le pivot 8 selon la direction radiale (axe des pales). La lame 19 d'air présente l'avantage de minimiser les transferts thermiques par conduction en les remplaçant majoritairement par de la convection, bien moins efficace en terme de transfert de chaleur. La lame 19 d'air présente également l'avantage de limiter la hauteur nécessaire de l'élément 15 d'isolation thermique, et ainsi de réduire de réduire les sollicitations mécaniques des pions, qui peuvent être soumis à de la flexion dans le cas d'un élément 15 d'isolation thermique épais. A titre d'exemple, la lame 19 d'air présente une hauteur inférieure ou égale à environ 1mm. Cette valeur est un exemple non limitatif et d'autres hauteurs sont applicables selon le cas. Il est également possible de mettre en place une solution hybride dans laquelle une partie des pions 24 ou des vis 23 est entourée d'un élément 15 d'isolation thermique à base d'un matériau (comme par exemples des pièces annulaires telles que décrites précédemment), tandis qu'une autre partie des pions 24 ou des vis 23 est entourée d'un élément 15 d'isolation thermique constitué d'une lame 19 d'air. Le dispositif de commande du calage des pales s'applique à une hélice comprenant un rotor et des pales. En particulier, le dispositif s'applique avantageusement à des turbomachines du type à soufflante non 10 carénée (en anglais « open rotor » ou « unducted fan »). REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de commande du calage des pales d'un rotor d'une hélice, comprenant : - un arbre (6) radial, - un pivot (8) solidaire de la pale, la rotation de l'arbre (6) radial entraînant la rotation du pivot (8) pour la modification du calage de la pale, caractérisé en ce qu'il comprend : - un insert (12) fixé rigidement au pivot (8) de sorte à bloquer leur déplacement relatif, l'arbre (6) radial étant configuré pour entraîner en rotation l'insert (12), - au moins un pion (24) traversant l'insert (12) et le pivot (8) pour la transmission de la rotation de l'insert (12) au pivot (8), - un élément (15) d'isolation thermique disposé entre l'insert (12) et le pivot (8), dont la conductivité thermique est inférieure à la conductivité thermique du pivot (8) et de l'arbre (6) radial. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'insert (12) est fixé au pivot (8) par l'intermédiaire d'au moins une vis (23). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'élément (15) d'isolation thermique entoure la circonférence d'au moins une partie du pion (24) ou de la vis (23). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément (15) d'isolation thermique est constitué d'une lame (19) d'air. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la lame (19) d'air présente une hauteur inférieure ou égale à environ 1 mm. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément (15) d'isolation thermique est constitué d'un matériau dont la conductivité thermique est inférieure à la conductivité thermique du pivot (8) et de l'arbre (6) radial. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'élément (15) d'isolation thermique est constitué d'une pièce annulaire comprenant : - une ouverture (25) centrale, pour le passage de l'arbre (6) radial ; - une ou plusieurs ouvertures (27) circonférentielles. 8. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'élément (15) d'isolation thermique comprend une ou plusieurs pièces annulaires (30) distinctes entourant au moins une partie du pion (24), ou d'une vis (23) liant l'arbre radial (6) au pivot (8). 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le matériau de l'élément (15) d'isolation thermique présente une conductivité thermique comprise entre 0.01 et 10 W/m/K à 20°C. 20 10. Hélice comprenant un rotor et des pales, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif (1) de commande du calage des pales selon l'une des revendications 1 à 9. 25 10 15