Brevet FR3004418A1 — publié le 20141017

Système et procédé d'équilibrage azimutal dynamique de rotor d'hélice d'aéronef DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des systèmes d'équilibrage de rotor d'hélice d'aéronefs, notamment d'hélice d'avion. ETAT DE LA TECHNIQUE Les hélices d'aéronefs, notamment d'avions, qu'elles soient rapides ou classiques, à un ou plusieurs étages, carénées ou non, sont soumis à des effets de balourds qui sont dus soit à des défauts de fabrication et notamment à une variation de masse, à la position de centre de gravité, ou au centrage des assemblages, soit à des usures des pièces tournantes, soit encore à des phénomènes aérodynamiques instationnaires créant des balourds aérodynamiques. Le problème est que ces balourds produisent des vibrations qui dans un premier temps sont inconfortables pour l'équipage et les passagers puis qui, dans un deuxième temps, deviennent mécaniquement dommageables pour l'avion et doivent donc être corrigées. La correction de ces balourds nécessite, dans l'état de l'art actuel, le démontage d'éléments tournants et l'installation d'un ensemble de masselottes d'équilibrage à des positions discrètes sur les éléments tournants. Une telle opération de maintenance requiert l'immobilisation de l'avion. En outre, le calcul de la masse de la masselotte à ajouter est relativement compliqué et requiert des compétences et du matériel sophistiqué au sol ou sur l'avion. On connait des systèmes d'équilibrage dynamique qui permettent d'automatiser l'opération d'équilibrage et notamment des systèmes dans lesquels, pour compenser le balourd du système propulsif, on déplace des masselottes mobiles le long d'une coulisse de guidage, intégrée à l'enveloppe de moyeu de chaque hélice, en fonction d'une estimation du balourd du système propulsif. Dans un tel système, la coulisse de guidage a une masse non négligeable et est éloignée du centre du rotor, ce qui génère une force centrifuge d'autant plus importante. De plus, un tel système est mal dimensionné. En effet, la distance des masselottes à l'axe de rotation de l'hélice est élevée, ce qui impose, pour avoir une valeur de balourd correctif de l'ordre de grandeur du balourd de l'hélice, soit des masses de masselottes extrêmement faibles et dont la réalisation technique et par conséquent délicate, soit un angle entre les masselottes quasiment constant autour de 180°, ce qui entraine une mauvaise sensibilité de la valeur du balourd à l'écart angulaire entre les masselottes. Par ailleurs, les masselottes sont mobiles sur une coulisse de guidage positionnée dans le plan de l'enveloppe de moyeu. Un tel système permet de compenser un déséquilibre correspondant à une translation linéaire de l'axe d'inertie principal du rotor à son axe de rotation, les deux axes restant parallèles. En revanche, un tel système ne permet pas de compenser un déséquilibrage du rotor sous forme de couple généré par un axe principal d'inertie non parallèle à l'axe de rotation du rotor.20 EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer un système permettant d'équilibrer efficacement un rotor tout en minimisant les forces centrifuges générées par le 5 système. Un autre but de l'invention est de proposer un système permettant de compenser un déséquilibrage du rotor sous forme de couple généré par un axe de principal d'inertie non parallèle à l'axe de rotation du rotor. A cet effet, l'invention propose un système d'équilibrage dynamique d'un rotor 10 d'hélice d'aéronef comportant un premier ensemble d'au moins deux masselottes destinée à former contre-balourd, lesdites masselottes étant situées dans un plan d'équilibrage primaire perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, le système étant caractérisé en ce que le positionnement angulaire desdites masselottes dans ledit plan est réglable, au moins une motorisation déplaçant angulairement lesdites 15 masselottes en fonction d'une estimation du balourd dudit rotor. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles : le système d'équilibrage comporte en outre un second ensemble 20 comprenant au moins deux autres masselottes mobiles dans un plan d'équilibrage secondaire perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, les plans d'équilibrage primaire et secondaire étant disposés de part et d'autre du centre d'inertie du rotor, au moins une motorisation déplaçant angulairement lesdites masselottes en fonction d'une estimation du couple 25 généré par le désaxage de l'axe de principal d'inertie du rotor avec l'axe de rotation dudit rotor ; les masselottes d'un même ensemble sont réglables d'une part en azimut par rapport au rotor autour de l'axe de rotation de celui-ci et d'autre part en ouverture angulaire ; - les masselottes sont situées entre la veine chaude et l'axe de rotation du rotor ; - le système d'équilibrage comporte une couronne de guidage fixée sur le moyeu du rotor et des pièces formant étrier par lesquelles les masselottes sont rapportées sur la couronne et guidées angulairement dans leur mouvement sur ladite couronne ; - un moteur est fixé sur chaque masselotte, ledit moteur entrainant ladite masselotte en déplacement angulaire sur la couronne de guidage, le centre d'inertie du moteur et le centre d'inertie de la masselotte sur laquelle le moteur est fixé étant contenus dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor ; - la couronne porte une graduation angulaire, chaque masselotte étant quant à elle équipée d'un système de lecture adapté pour relever la position angulaire de ladite masselotte par lecture de cette graduation ; - le système d'équilibrage est intégré dans un cône avant d'une l'hélice. L'l'invention propose également un procédé d'équilibrage dynamique d'un rotor selon lequel on déplace un premier ensemble de au moins deux masselottes dans un plan d'équilibrage primaire perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor en fonction d'une estimation du balourd dudit rotor ; L'invention est avantageusement complétée par la caractéristique selon laquelle on déplace en outre un second ensemble de au moins deux autres masselottes dans un plan d'équilibrage secondaire perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, les plans d'équilibrage primaire et secondaire étant disposés de part et d'autre du centre d'inertie du rotor, le déplacement des masselottes du premier et du second ensemble étant commandé en fonction d'une estimation du couple généré par un désaxage de l'axe de principal d'inertie dudit rotor avec l'axe de rotation dudit rotor. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres objectifs, caractéristiques et avantages sortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif parmi lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un turbo-propulseur à deux hélices contra-rotatives conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 est une représentation en perspective illustrant le positionnement du système d'équilibrage sur le moyeu d'une hélice du turbo-propulseur de la figure 1 - la figure 3 est une représentation schématique en perspective illustrant ce système d'équilibrage; - la figure 4 représente un exemple d'unité de contrôle conforme à l'invention ; - la figure 5 représente les différentes étapes d'un exemple de procédé conforme à l'invention ; - la figure 6 est un schéma sur lequel ont été portées les différentes variables de positionnement des masselottes du système d'équilibrage des figures 2 et 3 ; - la figure 7 représente schématiquement l'axe principal d'inertie d'un rotor dans différentes configurations ; - la figure 8 représente schématiquement le positionnement d'un système d'équilibrage conforme à un autre mode de réalisation dans un propulseur. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION Exemples des structures Le turbo-propulseur TP représenté schématiquement sur la figure 1 comporte deux rotors 2 qui sont des hélices contrarotatives entraînées par une boite de vitesse différentielle (non représentée). Les gaz chauds générés par la turbomachine lors de son fonctionnement sont évacués par une veine chaude 3 dont la sortie est située à l'arrière des deux rotors 2. Ces rotors 2 peuvent présenter chacun un balourd de rotor par exemple dû à un défaut de fabrication et/ou à une usure irrégulière. Pour permettre la correction de ces balourds, il est prévu sur le moyeu 21 de chaque rotor 2 un système d'équilibrage dynamique 1 qui comporte une couronne 7 rapportée sur ledit moyeu 21 (figures 2 et 3) et au moins deux masselottes 5 dont le positionnement angulaire sur ladite couronne 7 est réglable. A cet effet, chaque masselotte 5 est fixée sur la couronne 7 par un bras 51 formant étrier de guidage. La couronne 7 comporte quant à elle au moins une piste 72 de roulement / guidage, qui est par exemple une rainure circulaire, centrée sur l'axe Ar de rotation du rotor 2 et qui est intégrée à ladite couronne 7. La piste de guidage 72 et les bras 51 coopèrent pour guider les masselottes 5 15 dans leurs déplacements sur ladite couronne 7. Des systèmes de roulements à billes, d'aiguilles, de rouleaux ou même de paliers lisses à coefficient de frottement faible sont prévus à cet effet. Les masselottes 5 sont ainsi tenues par les bras 51 devant la face 71 de la couronne 7 qui est opposée à celle par laquelle ladite couronne 7 est rapportée sur 20 le moyeu 21. La couronne 7 porte en outre, du côté de ladite 71, une crémaillère circulaire 73, avec laquelle engrènent des pignons 81 en sortie de moteurs électriques 8 rotatifs fixés sur chacune des masselottes 5. Ces moteurs 8 permettent ainsi de commander le déplacement des masselottes mobiles 5 le long de la piste de guidage 72 et de régler le 25 positionnement angulaire desdites masselottes 5 par rapport au rotor 2. Le centre d'inertie G8 d'un moteur 8 et le centre d'inertie G5 de la masselotte 5 à laquelle il correspond sont positionnés sur un même rayon Am du rotor 2, les différents centres d'inertie des différents moteurs électriques 8 et des différentes masselottes 5 étant contenus dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation Ar du rotor 2. Ainsi, l'action des forces centrifuges générées, sur l'axe Ar de rotation du rotor, par les masses des moteurs 8 et des masselottes 5 lors de la rotation du rotor est nulle. En outre, la masse des moteurs 8 fixés aux masselottes 5 participe directement à l'équilibrage, ce qui contribue à limiter la masse additionnelle liée au système d'équilibrage 1 sans participer directement à cet équilibrage. Le rayon de la piste de guidage 72 circulaire peut être choisi pour que ladite piste de guidage soit positionnée entre la veine chaude 3 et l'axe Ar de rotation du rotor 2. Il est par exemple inférieur à 200mm. Un tel rayon permet de générer un balourd d'équilibrage égale au balourd d'une hélice et ce avec des masselottes de masse suffisamment élevées pour être facilement réalisables. Un tel rayon permet en outre d'obtenir une sensibilité de la force de balourd à l'écart angulaire entre les masselottes 5 suffisamment élevée. Les moteurs 8 sont alimentés par l'intermédiaire d'un transfert tournant. L'énergie électrique est par exemple captée par le moteur 8 depuis une piste circulaire aménagée sur la couronne 7. Le moteur 8 est alors pourvu de balais à ses bornes. Les balais transmettent l'énergie par frottement sur la piste qui est par exemple en graphite. La piste circulaire qui transmet l'énergie électrique au moteur 8 est elle-même alimentée par l'intermédiaire d'un transfert tournant. La paroi 71 de la couronne 7 opposée au moyeu 21 est par ailleurs équipée d'une graduation angulaire 74, chaque masselotte 5 étant quant à elle équipée d'un système de lecture optique 55 en regard de la graduation angulaire 74 et adapté pour relever la position angulaire de la masselotte 5 par lecture de cette graduation. Le système d'équilibrage 1 peut être intégré dans le cône avant de l'hélice. Il est alors facilement accessible pour maintenance. De plus, un tel système d'équilibrage intégré dans le cône avant de l'hélice n'impacte pas la boite de vitesse ni les systèmes positionnés derrière celle-ci. Le système d'équilibrage est alternativement intégré sur des moteurs type Turbopropulseur, MHR, CROR ou Turbofan en d'autres endroits du moteur et par 5 exemple au coeur des ensembles tournants entre les turbines BP et HP. En référence à la figure 4, les masselottes 5 sont mobiles en rotation autour de l'axe Ar du rotor dans un plan d'équilibrage primaire P1 défini par la piste de guidage 71 et perpendiculaire à l'axe de rotation Ar du rotor 2. Les masselottes 5 sont à une distance fixe r' de l'axe Ar du rotor. La position des masselottes 5 est 10 définie par l'angle p entre les deux masselottes 5, et l'angle a' moyen des masselottes 5 dans le repère tournant du rotor 2. Exemples de réglages du positionnement des masselottes Les masselottes 5 sont pilotées dans leur positionnement d'une part en 15 azimut autour de l'axe Ar de rotation du rotor dans le repère tournant du rotor, et d'autre part en ouverture l'une par rapport dans le repère tournant du rotor. La position des masselottes 5 permet de faire varier le balourd d'équilibrage en jouant : - d'une part sur la valeur de l'angle (ou des angles lorsqu'il y a plus de deux 20 masselottes) entre les rayons où se trouvent les masselottes 5 (angle 13), - d'autre part sur la position angulaire du centre d'inertie des masselottes 5 dans le repère tournant du rotor (angle a' par rapport à un rayon de référence dans le repère tournant). L'angle entre les rayons où se trouvent les masselottes 5 permet de faire 25 varier la masse du balourd d'équilibrage entre une valeur nulle lorsque l'angle p entre les deux masselottes 5 est de 180° et une valeur maximale p lorsque l'angle entre les deux masselottes 5 est de 0°. On se place dans ce qui suit dans le cas où le rotor 2 présente un balourd de rotor équivalent à un point matériel Gr de masse m, positionné à une distance r de l'axe de rotation du rotor 2 et faisant un angle a par rapport au repère tournant du rotor 2. Si m' est la masse d'un ensemble masselotte 5 / moteur 8, les deux ensembles masselotte 5 / moteur 8 génèrent un balourd d'équilibrage égal à 2m'.R'.cos(6/2). Les masselottes 5 sont alors déplacées de manière à ce que dans leur position finale, la force de balourd d'équilibrage compense la force de balourd du rotor, ce qui est modélisé par les équations suivantes : 2m'.R'.cos(6/2)=m-R a= a' En référence à la figure 5, la valeur et la position du balourd du rotor 2 est par exemple mesuré en temps réel par un accéléromètre 25 positionné sur le rotor 2 et par exemple placé sur un palier du rotor 2, au plus proche du plan d'équilibrage Pl. On peut également prévoir plusieurs accéléromètres 25 positionnés en différents points du rotor 2 pour la redondance. Ces mesures sont traitées en temps réel par une unité de contrôle 9 qui corrige la position des masselottes 5 en fonction des mesures ainsi relevées de manière à ce que le balourd d'équilibrage compense en permanence le balourd du rotor 2. Notamment, en référence à la figure 6, l'unité de contrôle 9 est apte à : - El déterminer la valeur et la position du balourd du rotor 2 à partir des informations transmises par les accéléromètres 25 positionnés sur le rotor 2; - E2 déterminer les positions angulaires des masselottes 5 permettant de compenser au mieux ce balourd, - E3 déterminer les positions angulaires actuelles des masselottes 5 à partir des informations transmises par les systèmes de lecture optique 55 des masselottes 5 ; - E4 élaborer à partir des positions angulaires actuelles de ces masselottes 5, et des positions angulaires des masselottes 5 permettant de compenser au mieux le balourd, des ordres de déplacement pour chaque masselotte 5 ; - E5 transmettre au moteur 8 de chaque masselotte 5 l'ordre de déplacement correspondant. Un tel système permet donc un équilibrage continu du rotor 2 et non pas un équilibrage par palier nécessitant l'immobilisation de l'avion à chaque intervention. Ce balourd d'équilibrage permet notamment de réduire les vibrations basse fréquence ainsi que les usures machines. Il permet en outre un équilibrage sans intervention de maintenance jusqu'à ce que le niveau de balourd du rotor 2 dépasse la capacité d'équilibrage du système 1 qui est égale à 2m'.R'. La figure 7 représente l'axe principal d'inertie Api d'un rotor 2 et l'axe de rotation Ar de ce rotor 2 dans différentes configurations. Dans la première configuration notée I, l'axe principal d'inertie Api du rotor 2 et l'axe de rotation Ar du rotor 2 ne coïncident pas mais sont parallèles. Dans la seconde configuration notée II, l'axe principal d'inertie Api du rotor 2 et l'axe de rotation Ar du rotor 2 ne sont pas parallèles mais se coupent au niveau du centre d'inertie du rotor. Dans la troisième configuration notée III, l'axe principal d'inertie Api du rotor 2 et l'axe de rotation Ar du rotor 2 ne sont ni sécants ni parallèles. En variante encore, en référence à la figure 8, le système 1 comporte en outre un second ensemble de deux autres masselottes 5 identiques aux deux masselottes 5 du premier ensemble et une seconde piste de guidage 5 identique à la première piste de guidage 5 mais disposées dans un second plan d'équilibrage P2. Les masselottes 5 du second ensemble sont alors mobiles dans le plan secondaire P2 perpendiculaire à l'axe de rotation Ar du rotor 2. Les plans primaire P1 et secondaire P2 sont disposés de part et d'autre du centre d'inertie Gr du rotor 2. On notera que le second ensemble de masselottes 5 peut comprendre un nombre de masselottes 5 supérieur à deux. L'unité de contrôle 9 détermine alors non seulement la valeur et la position du balourd mais également le couple généré par le désaxage de l'axe de principal d'inertie Api du rotor 2 avec l'axe de rotation Ar du rotor 2. Le déplacement des masselottes 5 du premier et du second ensemble est alors commandé en fonction d'une estimation du couple généré par un désaxage de l'axe de principal d'inertie Api du rotor 2 avec l'axe de rotation Ar du rotor 2. Un tel système permet non seulement de compenser un déséquilibre correspondant à une translation linéaire de l'axe d'inertie principal du rotor à son axe de rotation, les deux axes restant parallèles (correspondant à la première configuration notée I de la figure 6), mais également un déséquilibrage du rotor sous forme de couple généré par un axe principal d'inertie non parallèle à l'axe de rotation du rotor (correspondant à la seconde configuration notée II de la figure 6) et un déséquilibrage du rotor combinant les deux (correspondant à la troisième configuration notée III de la figure 6). REVENDICATIONS1. Système d'équilibrage dynamique (1) d'un rotor (2) d'hélice d'aéronef comportant un premier ensemble d'au moins deux masselottes (5) destiné à former contre-balourd, lesdites masselottes (5) étant situées dans un plan d'équilibrage primaire (P1) perpendiculaire à l'axe de rotation (Ar) du rotor (2), le positionnement angulaire desdites masselottes (5) dans ledit plan étant réglable, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte une unité de contrôle (9) adaptée pour commander des moteurs (8) déplaçant angulairement lesdites masselottes (5) en fonction d'une estimation du balourd dudit rotor (2). 2. Système d'équilibrage (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second ensemble comprenant au moins deux autres masselottes (5) mobiles dans un plan d'équilibrage secondaire (P2) perpendiculaire à l'axe de rotation (Ar) du rotor (2), les plans d'équilibrage primaire (P1) et secondaire (P2) étant disposés de part et d'autre du centre d'inertie (Gr) du rotor (2), l'unité de contrôle (9) étant en outre adaptée pour commander des moteurs (8) déplaçant angulairement lesdites masselottes (5) en fonction d'une estimation du couple généré par le désaxage de l'axe de principal d'inertie (Api) du rotor (2) avec l'axe de rotation (Ar) dudit rotor (2). 3. Système d'équilibrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les masselottes (5) d'un même ensemble sont réglables d'une part en azimut par rapport au rotor (2) autour de l'axe de rotation de celui-ci et d'autre part en ouverture angulaire 4. Système d'équilibrage (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les masselottes (5) sont situées entre la veine chaude (3) et l'axe (Ar) de rotation du rotor (2). 5. Système d'équilibrage (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une couronne de guidage (7) fixée sur le moyeu du rotor (2) et des pièces (51) formant étrier par lesquelles les masselottes (5) sont rapportées sur la couronne de guidage (7) et guidées angulairement dans leur mouvement sur ladite couronne. 6. Système d'équilibrage dynamique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un moteur (8) est fixé sur chaque masselotte (5), ledit moteur (8) entrainant ladite masselotte (5) en déplacement angulaire sur la couronne de guidage (7), le centre d'inertie du moteur (8) et le centre d'inertie de la masselotte (5) sur laquelle le moteur (8) est fixé étant contenus dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation (Ar) du rotor (2). 7 Système d'équilibrage dynamique (1) selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la couronne de guidage (7) porte une graduation angulaire, chaque masselotte (5) étant quant à elle équipée d'un système de lecture adapté pour relever la position angulaire de ladite masselotte (5) par lecture de cette graduation. 8. Système d'équilibrage (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est intégré dans un cône avant d'une l'hélice. 9. Procédé d'équilibrage dynamique d'un rotor (2) selon lequel on déplace un premier ensemble de au moins deux masselottes (5) dansun plan d'équilibrage primaire (P1) perpendiculaire à l'axe de rotation (Ar) du rotor (2) en fonction d'une estimation du balourd dudit rotor (2). 10. Procédé d'équilibrage selon la revendication précédente selon lequel on déplace en outre un second ensemble de au moins deux autres masselottes (5) dans un plan d'équilibrage secondaire (P2) perpendiculaire à l'axe de rotation (Ar) du rotor (2), les plans d'équilibrage primaire (P1) et secondaire (P2) étant disposés de part et d'autre du centre d'inertie (Gr) du rotor (2), le déplacement des masselottes (5) du premier et du second ensemble étant commandé en fonction d'une estimation du couple généré par un désaxage de l'axe de principal d'inertie (Api) dudit rotor (2) avec l'axe de rotation (Ar) dudit rotor (2).