Brevet FR3021296A1 — publié le 20151127

i Ensemble de propulsion à doublet d'hélices pour aéronef Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des turbomachines à doublet d'hélices de propulsion coaxiales et contrarotatives pour aéronef, désignées aussi par les expressions anglaises « open rotor », et « unducted fan ». L'invention se rapporte plus particulièrement au dispositif de changement de pas des pales de l'hélice aval. Etat de la technique L'architecture actuelle des turbomoteurs « open rotor » diffère de celle des turboréacteurs usuels par le fait que la soufflante est, non plus interne à la nacelle, mais externe et qu'elle se compose de deux hélices coaxiales et contrarotatives pouvant être situées en aval ou en amont de la partie du moteur formant générateur de gaz. Une telle architecture permet une moindre consommation de carburant comparativement aux turboréacteurs multiflux en service sur les aéronefs commerciaux. La présente invention concerne les moteurs dont les hélices sont disposées en aval du générateur de gaz. L'exemple de turbomoteur 1 à doublet d'hélices contrarotatives amont 2 et aval 3, représenté schématiquement sur la figure 1, comporte principalement, selon un axe longitudinal central A et le flux d'air F circulant dans le turbomoteur d'amont en aval, un ensemble générateur de gaz 4, un ensemble de propulsion 5 avec le doublet d'hélices contrarotatives 2, 3 constituant la soufflante non carénée (« open rotor ») et, entre le générateur et les hélices, un ensemble de transmission 6 de la puissance délivrée par le générateur 4 en direction des hélices. En particulier, l'ensemble générateur de gaz 4 est situé à l'intérieur d'une nacelle cylindrique 7 portée par la structure de l'aéronef (comme la partie arrière du fuselage d'un avion), et il comporte usuellement, selon le sens du flux gazeux F entrant dans la nacelle 4 et selon l'architecture du générateur de gaz à simple ou double corps, un ou deux compresseurs 8, une chambre annulaire de combustion 9, et une ou plusieurs turbines 10 disposées en série. Selon un mode de réalisation, l'ensemble intermédiaire 6 en aval de l'ensemble générateur de gaz comporte une turbine de puissance 11 et un dispositif de réduction de vitesse tel qu'un réducteur à trains épicycloïdaux 12. Le rotor de la turbine 11 porte des aubes radiales 13 qui sont traversées et entraînées en rotation par le flux d'air chaud F sortant des turbines de l'ensemble générateur de gaz 4. Entre les étages d'aubes rotatives 13 se trouvent des étages d'aubes fixes, non visibles, en liaison avec un carter fixe 14 de la turbomachine 1, le flux F circulant entre le carter 14 et le rotor de turbine 11. L'arbre rotatif 15 de la turbine de puissance 11 est solidaire d'un arbre d'entrée planétaire 16 du réducteur à engrenages 12 dont le porte-satellites et la couronne dentée (non représentés) entraînent respectivement, en rotation inverse l'un de l'autre, deux arbres concentriques de sortie externe 17 et interne 18 solidaires des carters tournants 19, 20 respectifs des hélices amont 2 et aval 3 de l'ensemble de propulsion 5. En fonctionnement et brièvement, le flux d'air F circulant dans l'ensemble 4 du turbomoteur 1 est comprimé, puis mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion 9. Les gaz chauds sont détendus dans les turbines 10 pour entraîner en rotations inverses, via la turbine de puissance 11 et le réducteur épicycloïdal 12 de l'ensemble intermédiaire 6, les hélices 2, 3 qui fournissent la majeure partie de la poussée. Les gaz chauds sont ensuite éjectés à travers la tuyère et contribuent à la poussée du turbomoteur 1. Il est prévu un dispositif de changement, 22 et 21 respectivement, du pas des pales 2A, 3A de chaque hélice pour faire varier indépendamment le calage de celles-ci en fonction des différentes phases de fonctionnement du turbomoteur, afin d'optimiser les performances aérodynamiques de celui-ci. Les systèmes en charge du calage variable ou systèmes de changement de pas, connus également sous le sigle PCM pour « Pitch Change 5 Mechanism », sont traditionnellement implantés au coeur des rotors ; avec une partie placée en repère tournant et une autre en repère fixe. L'invention se rapporte à la transformation d'une puissance motrice arrivant du repère fixe sous forme d'un mouvement de translation axiale en un mouvement de rotation autour de l'axe de calage sur le repère tournant du 10 moteur. L'invention vise plus particulièrement un système de changement de pas du rotor aval. Le système de changement de pas du rotor aval est particulier en cela qu'il est placé à l'extrémité arrière du moteur où le rotor est en position en 15 porte à faux et que l'espace disponible dans les parties fixes permettant d'amener la puissance ainsi que des interfaces mécaniques, électriques et hydrauliques est très limité. Pour ce changement de pas du rotor aval Il est connu de réaliser selon l'art antérieur un mécanisme d'actionnement mettant en oeuvre un 20 actionneur dans la partie tournante du rotor. La demande de brevet 1357959 déposée au nom du présent déposant décrit une solution de ce type. Son examen montre qu'un tel système est complexe et qu'il présente des inconvénients : - Le niveau de fuite des fluides est important dans le vérin. Il s'ensuit que la contrôlabilité du système de calage variable peut être 25 aisément détériorée. - Les mêmes fuites entraînent aussi une limitation de la vitesse de rappel des pales résultant des limitations sur le débit hydraulique. - La fabrication du dispositif de calage variable est par ailleurs rendue complexe par les tolérances très serrées requises pour assurer le contrôle des fuites de fluides. Il est par ailleurs connu pour le changement de pas du rotor amont un système, décrit dans la demande de brevet FR 2 980 770 au nom du présent déposant, comprenant un vérin fluidique annulaire à commande linéaire monté solidaire d'un carter fixe supportant le rotor amont tout en étant confiné dans un espace disponible à l'intérieur du rotor amont et un mécanisme de liaison comportant un palier de transfert de déplacement dont la virole interne est montée concentriquement sur la partie mobile du vérin et la virole externe coopère avec les pivots des pales du rotor. On observe que le moyeu de ce rotor amont comprend un élément cylindrique supporté par un élément cylindrique du stator au moyen de deux paliers qui sont disposés radialement à l'intérieur de cet élément cylindrique du stator. La bague interne de ces derniers est liée à l'élément cylindrique du rotor et leur bague externe est liée à l'élément cylindrique du stator. Cet agencement adapté pour le rotor amont du doublet d'hélice n'est cependant pas adapté pour un rotor, tel que le rotor aval du doublet dont l'espace disponible à l'intérieur du moyeu du rotor est encore plus restreint que dans le cas du rotor amont. Exposé de l'invention Conformément à l'invention, on évite ces inconvénients avec un ensemble de propulsion comprenant un doublet d'hélices coaxiales dites amont et aval par rapport à l'écoulement d'air le traversant, contrarotatives, l'hélice aval, formant un repère tournant, étant montée à rotation autour d'un support central cylindrique formant un repère fixe, et étant pourvue d'un dispositif de changement du pas des pales, caractérisé par le fait que l'hélice aval est supportée par des paliers disposés extérieurement sur le support central cylindrique, et que ledit dispositif de changement de pas comporte a. un actionneur linéaire dans le repère fixe avec un élément mobile axialement le long de l'axe de l'hélice aval et b. un mécanisme de transmission de mouvement, reliant ledit élément mobile de l'actionneur linéaire aux pales, comprenant un roulement de transfert de charge agencé pour transmettre les efforts axiaux de l'actionneur linéaire au repère tournant de l'hélice. L'Actionneur étant situé dans le repère fixe ses mouvements sont des translations seules, il n'est pas entrainé en rotation avec le rotor. Il s'ensuit un 15 traitement des fuites beaucoup plus simple et une fiabilité améliorée. Conformément à un mode de réalisation, le roulement de transfert de charge du mécanisme de transmission de mouvement comprend une virole cylindrique non tournante, solidaire de l'élément mobile de l'actionneur linéaire et une virole tournante montée sur la virole non tournante par l'intermédiaire de 20 roulements. Avantageusement, la virole cylindrique non tournante est reliée à l'actionneur linéaire par un moyen anti-rotation. Ce moyen est formé par exemple de tiges disposées axialement autour de l'actionneur et maintenues fixes par des galets. 25 Conformément à une autre caractéristique, un premier desdits paliers disposés extérieurement sur le support central cylindrique est situé en amont des pales. Cette disposition permet d'avoir un chemin d'effort du système de calage variable et notamment la réaction du vérin ne passant pas par les parties fixes du moteur. Conformément à un mode de réalisation un second desdits paliers disposés extérieurement sur le support central cylindrique est situé en aval des pales. Cependant il entre également dans l'invention de disposer le second palier plus en amont à proximité du premier palier. Les deux roulements comprennent un roulement à bille reprenant les charges axiales et radiales du système de calage variable et un roulement à rouleaux reprenant les charges radiales du système de calage variable. 1 0 Les roulements du dispositif de transmission de mouvement sont lubrifiés par de l'huile alimentée par des canalisations télescopiques. Présentation des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, 15 caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : 20 - La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un turbomoteur à hélice rapide ; - La figure 2 est une vue en coupe axiale d'un système de changement de pas selon l'invention pour le calage variable des pales du rotor aval d'un ensemble de propulsion à doublet d'hélices ; il comprend un actionneur 25 représenté dans deux positions ; - La figure 3 est une vue en perspective du système de changement de pas de la figure 2. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention En se référant aux figures 2 et 3, on voit la représentation schématique d'un système de changement de pas pour les pales du rotor aval dans un doublet d'hélice d'un moteur tel que décrit avec la figure 1. A gauche sur la figure2, les références 19 et 20 désignent les carters tournants des rotors amont 19 et aval 20 du doublet d'hélices. Ces deux hélices sont contrarotatives et sont entraînées par la turbine 11 non représentées, situées en amont par rapport à la figure 2. Le dispositif de changement de pas de l'invention est situé à l'intérieur du carter tournant aval 20. Ce carter tournant aval 20 comprend plusieurs éléments boulonnés les uns aux autres 201 et 202 et supportent les pivots 30 des pales 3A du rotor aval qui s'étendent radialement dans un plan transversal par rapport à l'axe du moteur. Le carter tournant 20 est supporté lui-même par un palier inter-arbre 191 ; il est en porte à faux. Les pivots 30 sont montés rotatifs dans des paliers et leur calage est commandé par des leviers 31 qui s'étendent radialement par rapport à l'axe de pivotement des pivots 30. La position angulaire des pivots 30 est assurée par le dispositif de changement de pas qui est décrit ci-après. Ce dispositif comprend un actionneur linéaire 23 dans un repère fixe et 20 un mécanisme 24 de transmission de mouvement aux pales. L'actionneur linéaire est situé dans le prolongement d'un fourreau 60 d'acheminement des servitudes dont on ne voit que l'extrémité aval. Ce fourreau est logé à l'intérieur des arbres rotatifs d'entraînement des rotors tout en étant fixe par rapport à ces arbres. Il constitue un repère fixe. La demande de 25 brevet 1450440 au nom du présent déposant décrit un dispositif de raccordement logé à l'intérieur des arbres des rotors du doublet d'hélices, permettant un montage à l'aveugle. L'actionneur comprend un organe cylindrique 231 creux dans le prolongement d'une cloche 234 montée sur une platine 233 boulonnée en extrémité du fourreau 60. L'élément cylindrique comprend un disque 231d transversal. L'actionneur comprend également un élément cylindrique 235 mobile axialement par rapport au disque radial 231d. L'élément cylindrique 235 ménage avec l'élément 231 et son disque 231d deux chambres de vérin Cl et C2. Ces deux chambres sont respectivement en communication fluidique avec deux canalisations 240. Ces deux conduits sont fixés sur la platine 233 et sont alimentés en fluide moteur par le fourreau 60. La figue 2 montre l'actionneur dans deux positions extrêmes. La partie haute de la figure montre l'actionneur avec la chambre Cl en extension et la chambre C2 en volume réduit. La partie basse de la figure montre à l'inverse, la chambre C2 en extension et la chambre Cl en volume réduit. Cela correspond à deux positions extrêmes de l'élément mobile 235. Dans la partie haute de la figure, l'élément mobile 235 est en position extrême vers la gauche par rapport à la figure et dans la partie basse de la figure, l'élément mobile de l'actionneur est en position extrême vers la droite par rapport à la figure. En jouant sur l'alimentation en fluide moteur des canalisations 240, on peut ainsi déplacer l'élément mobile en translation à volonté. L'élément mobile 235 est relié à un mécanisme 24 de transmission de mouvement aux pivots des pales 3A. Ce mécanisme 24 comprend une virole 241 solidaire de l'élément mobile 235 et coaxiale à celui-ci. La virole est boulonnée ici, par l'intermédiaire d'une bride radiale 241a à la face aval de l'élément mobile 235. La virole est également en appui coulissant sur une pate radiale 237 solidaire du corps cylindrique 231. Des tiges axiales anti rotation 247 s'étendent le long du corps fixe de l'actionneur ces tiges traversent les brides radiales 241a de fixation de la virole. Des galets non visibles sur la figure 2 assurent le coulissement axial de la virole le long de ces tiges anti-rotation et empêchent tout mouvement de rotation de la virole autour de l'axe du moteur. Le mécanisme de transmission 24 comprend une virole tournante 243 coaxiale et reliée à la virole non tournante 241 par l'intermédiaire de roulements 245. Ici les roulements sont doubles. Les deux viroles 241 et 243 forment la cage d'un roulement à billes. La virole tournante peut tourner autour de la virole 241, tout en étant immobilisée axialement par rapport à cette dernière. La virole tournante 243 est reliée par des biellettes 249 aux leviers 31 d'actionnement des pivots 30 des pales du rotor. L'hélice aval est supportée par des paliers disposés extérieurement sur le support central cylindrique, Un premier palier 40, à roulement à billes de préférence, assure le maintien radial et axial de l'actionneur par rapport au carter tournant de l'hélice aval. Ce palier est situé en amont par rapport aux pales de l'hélice. Un second palier 41 est situé en aval par rapport aux pales du rotor. Sa fonction est essentiellement d'assurer un maintien radial de l'extrémité de l'actionneur par rapport au carter tournant 20. Dans une variante représentée en traits pointillés, le second palier 41' est disposé en amont des pales tout en étant en aval du premier palier. Enfin la lubrification des roulements du mécanisme 24 est assurée selon l'exemple de réalisation représenté par des canalisations télescopiques 50 reliées d'un côté à une alimentation depuis le fourreau et de l'autre côté à la cage des roulements245. Le fonctionnement de ce dispositif se déduit de la description précédente. Lorsqu'une chambre Cl ou C2 est alimentée en fluide moteur par les canalisations 234 depuis la boîte de commande non représentée et le fourreau au travers de la platine 233, l'élément mobile 235 se déplace par exemple sur la figure 2 de la position représentée dans la moitié haute de la figure jusqu'à la position correspondant à la moitié basse de la figure. Le 5 mécanisme de transmission de mouvement se déplace axialement. La virole extérieure tournante 243 est aussi entraînée en rotation par le carter tournant 20. Ce déplacement axial entraîne la rotation des pivots autour de leur axe respectif en raison de la liaison par les leviers et biellettes. Grace à cet agencement la boucle des efforts reste confinée à l'intérieur du carter tournant, la réaction aux 10 efforts produits par l' actionneur passant par le premier palier pour fermer la boucle. En résumé Le système aval est fondé sur les principes suivants : L'actionneur (vérin) est situé dans le repère fixe - c'est-à-dire que ses 15 mouvements sont des translations. L'actionneur n'est pas entrainé en rotation avec le rotor. L'actionneur est positionné dans le rotor aval à l'aide de roulements. Le chemin d'effort du système aval et notamment la réaction du vérin ne passe pas par les parties fixes du moteur. 20 L'interface mécanique, électrique et hydraulique est unique avec la partie fixe du moteur placée à l'arrière du système en partie fixe. La transmission du mouvement est faite via un roulement de transfert de charge permettant de transmettre les efforts de calage et de passer du repère fixe au repère tournant. 25 La reprise du moment de torsion créé par le roulement et appliqué sur l'actionneur via un dispositif anti-rotation en partie fixe. Le positionnement du système aval à l'aide de deux roulements ; un roulement à bille reprenant les charges axiales et radiales du système et un roulement à rouleaux reprenant les charges radiales. La lubrification de l'enceinte aval avec les résidus d'huile ayant servi à 5 la lubrification des roulements du système. REVENDICATIONS1. Ensemble de propulsion pour aéronef comprenant un doublet d'hélices coaxiales amont (2) et aval (3) par rapport à l'écoulement de l'air le traversant, contrarotatives, l'hélice aval, formant un repère tournant, étant montée à rotation autour d'un support central cylindrique, formant un repère fixe, et étant pourvue d'un dispositif de changement du pas des pales, caractérisé par le fait que l'hélice aval est supportée par des paliers disposés extérieurement 0 sur le support central cylindrique, et que ledit dispositif de changement de pas comporte a. un actionneur linéaire (23) dans le repère fixe avec un élément (235) mobile axialement le long de l'axe de l'hélice aval b. un mécanisme de transmission de mouvement (24), reliant ledit 15 élément mobile de l'actionneur linéaire aux pales, comprenant un roulement de transfert de charge agencé pour transmettre les efforts axiaux de l'actionneur linéaire au repère tournant de l'hélice, 2. Ensemble de propulsion selon la revendication 1, dont le 20 mécanisme de transmission de mouvement comprend une virole cylindrique (241) non tournante, solidaire de l'élément mobile axialement de l'actionneur linéaire et une virole tournante (243) montée sur la virole non tournante par l'intermédiaire de roulements (245). 25 3. Ensemble de propulsion selon la revendication 2 dont la virole cylindrique (241) non tournante est reliée à l'actionneur linéaire (23) par un moyen anti-rotation (247). 13 302 12 96 4. Ensemble de propulsion selon l'une des revendications précédentes dont un premier (40) desdits paliers disposés extérieurement sur le support central cylindrique, est en amont des pales (3A). 5. Ensemble de propulsion selon la revendication précédente dont un 5 second desdits paliers disposés extérieurement sur le support central cylindrique, est situé en aval des pales (3A). 6. Ensemble de propulsion selon la revendication 4 dont un second palier (41') est situé en aval à proximité du premier palier et en amont des pales. 7. Ensemble de propulsion selon l'une des revendications précédentes dont les roulements du dispositif de transmission de mouvement sont lubrifiés par de l'huile alimentée par des canalisations télescopiques (50). 8. Turbomoteur comprenant un générateur de gaz et un ensemble de propulsion en aval du générateur de gaz.