Brevet FR3036093A1 — publié le 20161118

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des turbomachines équipées d'une ou deux soufflante(s) non carénée(s), et plus particulièrement à la commande de l'orientation des pales de soufflante(s) de ces turbomachines. Un domaine privilégié d'application de l'invention concerne les turboréacteurs à hélices contrarotatives, appelés « Open Rotor » en anglais, qui comprennent deux hélices contrarotatives placées en aval (version « pusher » en anglais) ou en amont (version « puller » en anglais) du générateur de gaz. Toutefois, l'invention s'applique également aux turbopropulseurs à une ou plusieurs hélices propulsives. Dans un turboréacteur à hélices contrarotatives, il est connu que l'orientation (ou calage) des pales qui forment ces hélices constitue 15 l'un des paramètres permettant de gérer la poussée du turboréacteur, notamment en faisant fonctionner l'hélice toujours dans les meilleures conditions possibles. En effet, le régime des hélices est quasiment constant sur toutes les phases de fonctionnement, et c'est le calage des pales des hélices qui fait varier la poussée. Ce calage permet notamment 20 de faire fonctionner l'hélice dans les meilleures conditions possibles. Ainsi, en phase de vol de croisière, on cherche à obtenir la plus faible puissance possible sur l'arbre de turbine qui est nécessaire pour une traction donnée à une vitesse de l'avion donnée, de sorte à obtenir le meilleur rendement (c'est-à-dire le rendement permettant de minimiser la consommation de 25 carburant et d'augmenter la distance franchissable). A l'inverse, au décollage, la traction la plus forte possible est recherchée afin d'accélérer puis de faire décoller l'avion. Le mécanisme de commande de l'orientation des pales des hélices du turboréacteur est généralement intégré à l'intérieur du moyeu 30 portant les hélices. Plus précisément, l'orientation de chaque pale constituant les hélices est typiquement commandée par un arbre de commande radial qui coïncide avec un axe d'empilement de la pale et qui comprend à son extrémité intérieure un bras de levier pour commander sa rotation selon cet axe d'empilement. Un vérin, fixe par rapport aux 35 structures du moteur et centré sur l'axe longitudinal de celui-ci, entraîne en translation la bague interne d'un palier de transfert de mouvement 3036093 2 (appelé LTB pour « Load Transfert Bearing ») positionné dans le prolongement du vérin. Ce palier permet de transmettre le mouvement de translation du repère fixe lié au vérin à un repère tournant lié aux pales. De plus, pour chaque arbre de commande, une bielle de calage de pas 5 relie l'extrémité de chaque bras de levier à la bague externe du palier de transfert de mouvement. On pourra notamment se référer au document WO 2013/050704 qui décrit un exemple de mise en oeuvre d'une telle commande. L'ensemble formé par le bras de commande, la bielle de calage 10 de pas et le palier de transfert de mouvement n'est pas isostatique. En effet, pour une consigne de vérin donnée, la position axiale du palier est fixée mais sa bague externe est libre en rotation, ce qui implique une multitude de calages possibles pour la pale correspondante. Afin de remédier à ce problème, il est connu de bloquer la rotation de la bague externe du palier de transfert de mouvement en l'accouplant à une bielle d'anti-rotation qui est elle-même reliée aux structures tournantes du moteur. Cependant, cette solution nécessite un nombre important de pièces, ce qui entraîne une masse importante et un encombrement axial non négligeable (cet encombrement axial impliquant indirectement une augmentation de la masse par la présence de carters supplémentaires). Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer un 25 dispositif de commande de l'orientation des pales qui ne présente pas les inconvénients précités. Ce but est atteint grâce à un dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine à soufflante non carénée, comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante à 30 orientation réglable, chaque pale de soufflante étant couplée, pour le réglage de son orientation, à un arbre de commande radial solidaire en rotation de l'ensemble de pales de soufflante et apte à pivoter autour d'un axe radial de calage de ladite pale de soufflante, le dispositif comprenant un vérin fixe centré sur un axe longitudinal de la turbomachine et 35 entraînant en translation une bague externe d'un palier de transfert de mouvement, ladite bague externe du palier de transfert de mouvement 3036093 3 étant couplée directement à un bras de levier de chaque arbre de commande pour le réglage de son pivotement par l'intermédiaire d'une liaison rotule. Le dispositif de commande selon l'invention est remarquable en 5 ce qu'il consiste à supprimer toutes les bielles du système, notamment les bielles de calage de pas typiquement prévues entre chaque arbre de commande et la bague externe du palier de transfert de mouvement. De même, aucune bielle d'anti-rotation de la bague externe du palier n'est nécessaire, cette fonction étant réalisée directement par les arbres de 10 commande. Il en résulte un dispositif de faible masse (par une limitation du nombre de pièces) et d'encombrement réduit, notamment axialement en limitant le recours à des bielles. De préférence, la liaison rotule comprend un doigt radial coopérant avec une rotule coulissante. 15 Ainsi, selon un mode de réalisation, le bras de levier de chaque arbre de commande comprend une rotule coulissante coopérant avec un doigt de la bague externe du palier de transfert de mouvement s'étendant radialement vers l'extérieur. Dans ce mode de réalisation, les doigts de la bague externe du 20 palier sont insérés dans les rotules coulissantes des bras de levier des arbres de commande et peuvent translater radialement selon l'axe de ces rotules. Ce degré de liberté est essentiel pour permettre au mécanisme de se mettre en mouvement. En effet, les doigts de la bague externe du palier se déplacent à rayon constant, tandis que le centre de chaque rotule coulissante se déplace dans un plan normal à l'axe de l'arbre de commande correspondant. Selon autre un mode de réalisation, la bague externe du palier de transfert de mouvement comprend, pour chaque arbre de commande, une rotule coulissante coopérant avec un doigt du bras de levier s'étendant radialement vers l'intérieur. Dans cet autre mode de réalisation, les rotules coulissantes sont directement intégrées à la bague externe du palier et les doigts venant s'insérer et translater à l'intérieur de ces rotules font partie intégrante des bras de levier des arbres de commande. Toujours dans cet autre mode de réalisation, les rotules coulissantes de la bague externe du palier de transfert de mouvement 3036093 4 sont de préférence montées sur des étriers indépendants de ladite bague externe du palier de transfert de mouvement et fixés contre une face latérale de cette dernière. Cette caractéristique permet d'envisager un montage axial des éléments du dispositif et donc d'être intégré dans un 5 environnement restreint. Plus précisément, les doigts des bras de levier des arbres de commande sont dans un premier temps insérés dans les étriers équipés des rotules, puis l'ensemble est amené axialement contre une face latérale de la bague externe du palier de transfert de mouvement pour y être fixé (par exemple au moyen de vis). 10 De préférence, la liaison entre la bague externe du palier de transfert et le bras de levier de chaque arbre de commande est dépourvue de bielle entre ledit bras de levier et ladite bague externe. Chaque pale de soufflante peut être montée sur un support de pied de pale monté pivotant sur un anneau rotatif et couplé à une 15 extrémité radiale externe d'un arbre de commande. L'invention a également pour objet une turbomachine à soufflante non carénée, comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable et au moins un dispositif de commande de l'orientation des pales tel que défini précédemment. 20 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 des exemples de réalisation dépourvus de tout 25 caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turboréacteur à hélices contrarotatives auquel s'applique l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe longitudinale d'un dispositif de commande selon un mode de réalisation de l'invention dans 30 deux positions différentes ; - la figure 4 est une loupe de la figure 2 montrant la liaison entre la bague externe du palier de transfert de mouvement et un arbre de commande ; et - la figure 5 est une vue montrant partiellement un dispositif de 35 commande selon un autre mode de réalisation de l'invention. 3036093 5 Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à toute turbomachine équipée d'au moins une soufflante non carénée, en particulier aux turbopropulseurs à une ou plusieurs hélices propulsives, ainsi qu'aux turboréacteurs à hélices 5 contrarotatives (appelés « Open Rotor » en anglais) qui comprennent deux hélices contrarotatives placées en amont (en version « puller » en anglais) ou en aval (en version « pusher » en anglais) du générateur de gaz, comme le turboréacteur 2 de type « pusher » représenté de façon schématique sur la figure 1. 10 De façon connue, le turboréacteur 2 comprend, d'amont en aval dans le sens d'écoulement du flux gazeux à l'intérieur d'une nacelle 4 du turboréacteur, un ou deux compresseurs 6 (selon l'architecture du générateur de gaz à simple ou double corps), une chambre de combustion 8, une turbine haute-pression 10 (ou une turbine haute-pression et une 15 turbine à pression intermédiaire selon ladite architecture), et une turbine basse-pression 12 qui entraîne de façon contrarotative, par l'intermédiaire d'un réducteur ou boîtier à trains épicycloïdaux 14, une hélice amont 16 et une hélice aval 18 qui sont alignées coaxialement selon l'axe longitudinal X-X du turboréacteur et qui sont disposées en aval de la chambre de 20 combustion. A cet effet, l'hélice amont 16 est solidaire d'un anneau rotatif 20 centré sur l'axe longitudinal X-X du turboréacteur et couplé en rotation à une sortie du réducteur 14 pour tourner dans un sens, tandis que l'hélice aval 18 est solidaire d'un autre anneau rotatif 22 également centré sur 25 l'axe X-X et couplé en rotation à une autre sortie du réducteur 14 pour tourner dans un sens opposé. Le couplage entre les sorties du réducteur et les anneaux rotatifs des hélices est connu et n'est donc pas détaillé ici. Par ailleurs, les pales 26 de l'hélice amont 16 et les pales 28 de l'hélice aval 18 présentent chacune un pied qui est monté sur un support 30 de pied de pale, respectivement 30, 32, ces supports de pied de pale étant quant à eux montées de façon pivotante sur l'anneau rotatif 20, 22 correspondant. Ainsi, une rotation des supports de pied de pale autour de l'axe d'empilement des pales qu'ils portent permet de régler l'orientation de ces dernières (on parle également de changement de pas de calage 35 des pales). 3036093 6 Le turboréacteur 2 comprend également un dispositif selon l'invention pour la commande de l'orientation des pales de chaque hélice 16, 18. Un tel dispositif pour la commande de l'orientation des pales 26 de l'hélice amont 16 est représenté de façon schématique sur les figures 2 et 5 3. Bien entendu, ce dispositif s'applique tout aussi bien à l'orientation des pales de l'hélice aval du turboréacteur. De façon connue, le dispositif de commande comprend notamment un vérin annulaire 34 centré sur l'axe longitudinal X-X du turboréacteur et un mécanisme de liaison reliant le vérin aux supports 30 10 de pied des pales 26 de l'hélice amont. Le vérin 34 entoure un carter annulaire fixe 36 du turboréacteur en lui étant solidaire de sorte à ce que sa partie statique (à savoir sa tige) soit immobilisée en rotation et en translation par rapport à celui-ci. Quant à la chambre 38 du vérin, elle est apte à se déplacer axialement (c'est-à- 15 dire selon l'axe longitudinal X-X) et est reliée au mécanisme de liaison. Le mécanisme de liaison comprend notamment un palier de transfert de mouvement 40 (appelé LTB pour « Load Transfert Bearing ») muni d'une bague interne 42 montée sur la chambre 38 du vérin 34 et d'une bague externe 44, les bagues interne et externe définissant des 20 pistes de roulement pour des roulements (ici deux rangées de billes 46). De la sorte, un déplacement axial de la chambre 38 du vérin entraîne une même translation du palier de transfert de mouvement le long de l'axe longitudinal X-X. Le mécanisme de liaison comprend également des arbres de 25 commande radiaux 48 (c'est-à-dire qui sont disposés radialement par rapport à l'axe longitudinal X-X du turboréacteur), chaque arbre de commande étant prévu pour le réglage de l'orientation (i.e. le calage du pas) d'au moins une pale 26 de l'hélice amont. Plus précisément, les arbres de commande 48 peuvent s'étendre 30 chacun selon un axe radial Z-Z qui peut être confondu (ou non) avec l'axe d'empilement de la pale 26 dont il commande l'orientation. Ces arbres de commande 48 sont aptes à pouvoir pivoter autour de leur axe radial Z-Z tout en étant solidaire en rotation de l'anneau rotatif 20 entraînant en rotation l'hélice amont. 35 De plus, au niveau de leur extrémité radiale externe, les arbres de commande 48 sont couplés à au moins un support de pied de pale 30 3036093 7 des pales de l'hélice amont par tout moyen connu en soi. De la sorte, un pivotement des arbres de commande 48 autour de leur axe radial Z-Z entraîne une modification du calage des pales 26 de l'hélice amont. On pourra se référer à la demande de brevet français déposée 5 par la Demanderesse le 12 mai 2015 avec pour titre « Dispositif à arbre radial pour la commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine à soufflante non carénée » qui décrit un exemple d'une telle cinématique. Au niveau de leur extrémité radiale interne, chaque arbre de 10 commande 48 présente un bras de levier 50 qui pivote avec l'arbre de commande autour de son axe radial Z-Z. Ce bras de levier peut être solidaire de l'arbre de commande avec lequel il ne forme qu'une seule et même pièce. Alternativement, ce bras de levier peut être un élément distinct du bras de commande comme cela est décrit dans la demande de 15 brevet français déposée par la Demanderesse le 12 mai 2015 avec pour titre « Arbre de commande radial pour dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine à soufflante non carénée et procédé de montage d'un tel arbre ». Le mécanisme de liaison comprend encore des moyens de 20 couplage direct des bras de levier 50 des arbres de commande à la bague externe 44 du palier de transfert de mouvement 40. Par « couplage direct », on entend que la liaison entre le bras de levier et la bague externe est dépourvue de toute bielle ou autre élément similaire. Dans le mode de réalisation des figures 2 à 4, le couplage entre 25 les bras de levier 50 et la bague externe 44 du palier est réalisé au moyen d'une rotule 52 solidaire de la bague externe et coopérant avec un doigt 54 du bras de levier. Plus précisément, le bras de levier se termine ici par un doigt (ou axe) 54 qui s'étend radialement vers l'intérieur (c'est-à-dire vers l'axe 30 longitudinal X-X). Ce doigt 54 vient s'insérer à l'intérieur d'une rotule coulissante 52 rendue solidaire de la bague externe 44 du palier de transfert de mouvement 40, la rotule permettant au doigt du bras de levier de pouvoir coulisser radialement à l'intérieur de celui-ci. A cet effet, les rotules coulissantes 52 de la bague externe 44 35 du palier de transfert de mouvement sont chacune montées sur un étrier 3036093 8 56 (ou patte) indépendant de ladite bague externe du palier, ces étriers 56 étant fixés contre une face latérale (ici la face amont) de cette dernière, par l'exemple par l'intermédiaire de vis 58. Cette disposition d'étriers indépendants de la bague externe du 5 palier de transfert de mouvement permet d'envisager un montage axial des éléments du dispositif de commande, et donc d'être intégré dans un environnement restreint. Plus précisément, les doigts 54 des bras de levier 50 des arbres de commande 48 sont dans un premier temps insérés dans les rotules 52 équipant les étriers 56, puis l'ensemble est amené 10 axialement contre la face latérale amont de la bague externe du palier de transfert de mouvement pour y être fixé au moyen des vis 58. Les figures 2 et 3 illustrent la cinématique de fonctionnement du dispositif de commande selon ce mode de réalisation entre deux positions angulaires différentes pouvant être occupées par les pales 26 de l'hélice 15 amont 16. Pour obtenir ces différents calages des pales 26, il suffit d'actionner le vérin 34 dont la chambre 38 va alors déplacer axialement la bague externe 44 du palier de transfert de mouvement. Pendant cette translation axiale, les bras de levier 50 des arbres de commande 48 vont 20 pivoter radialement, entraînant un pivotement correspondant des arbres de commande autour de leur axe radial Z-Z, et par la suite une rotation des supports de pied de pale 30 dans l'anneau rotatif. On notera qu'au cours du pivotement des bras de levier autour de l'axe radial des bras de commande, les doigts 54 portés par ces bras de 25 levier coulissent radialement à l'intérieur des rotules 52. Ce degré de liberté est en effet nécessaire pour permettre un pivotement des bras de levier. La figure 5 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel seuls la bague externe 44' du palier de transfert de 30 mouvement et l'arbre de commande 48' muni de son bras de levier 50' sont représentés. Ce mode de réalisation se distingue de celui précédemment décrit en ce qu'ici la rotule coulissante 52' est logée directement dans le bras de levier 50' de chaque arbre de commande 48' et coopère avec un 35 doigt (ou axe) 54' faisant partie de la bague externe 44' du palier de 3036093 9 transfert de mouvement et s'étendant radialement vers l'extérieur (c'est-à-dire en direction opposée à l'axe longitudinal du turboréacteur). De la sorte, pour obtenir différents calages des pales couplées aux arbres de commande 48', le vérin est actionné, ce qui entraîne un 5 déplacement axial de la bague externe 44' du palier de transfert de mouvement. Pendant cette translation axiale, le bras de levier 50' des arbres de commande vont pivoter radialement, entraînant un pivotement correspondant des arbres de commande autour de leur axe radial Z-Z, et par la suite une rotation des supports de pied de pale dans l'anneau 10 rotatif. Comme pour le précédent mode de réalisation, on notera qu'au cours du pivotement des bras de levier autour de l'axe radial des bras de commande, les doigts 54' portés par la bague externe 44' du palier coulissent radialement à l'intérieur des rotules 52'. 15 Quel que soit le mode de réalisation, on notera également que le couplage entre le bras de levier 50, 50' des arbres de commande 48, 48' et la bague externe 44, 44' du palier de transfert de mouvement est direct, c'est-à-dire dépourvu de toute bielle ou liaison mécanique autre que les liaisons rotules 52, 52'. 20 REVENDICATIONS1. Dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'une turbomachine à soufflante non carénée, comprenant au moins un ensemble (16 ; 18) de pales de soufflante (26, 28) à orientation réglable, chaque pale de soufflante étant couplée, pour le réglage de son orientation, à un arbre de commande radial (48, 48') solidaire en rotation de l'ensemble de pales de soufflante et apte à pivoter autour d'un axe radial (Z-Z) de calage de ladite pale de soufflante, le dispositif comprenant un vérin fixe (34) centré sur un axe longitudinal (X-X) de la turbomachine et entraînant en translation une bague externe (44 ; 44') d'un palier de transfert de mouvement (40), ladite bague externe du palier de transfert de mouvement étant couplée directement à un bras de levier (50 ; 50') de chaque arbre de commande pour le réglage de son pivotement par l'intermédiaire d'une liaison rotule (52 ; 521 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la liaison rotule (52 ; 52') comprend un doigt (54 ; 54') radial coopérant avec une rotule coulissante (52 ; 52'). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le bras de levier (50') de chaque arbre de commande (48') comprend une rotule coulissante (52') coopérant avec un doigt (54') de la bague externe (44') du palier de transfert de mouvement s'étendant radialement vers l'extérieur. 4. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la bague externe (44) du palier de transfert de mouvement (40) comprend, pour chaque arbre de commande (48), une rotule coulissante (52) coopérant avec un doigt (54) du bras de levier (50) s'étendant radialement vers l'intérieur. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les rotules coulissantes (52) de la bague externe du palier de transfert de 35 mouvement sont montées sur des étriers (56) indépendants de ladite 3036093 11 bague externe du palier de transfert de mouvement et fixés contre une face latérale de cette dernière. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 5 dans lequel la liaison entre la bague externe du palier de transfert et le bras de levier de chaque arbre de commande est dépourvue de bielle entre ledit bras de levier et ladite bague externe. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 10 chaque pale de soufflante (26, 28) est montée sur un support de pied de pale (30, 32) monté pivotant sur un anneau rotatif (20, 22) et couplé à une extrémité radiale externe d'un arbre de commande. 8. Turbomachine (2) à soufflante non carénée, comprenant au 15 moins un ensemble (16, 18) de pales de soufflante (26, 28) à orientation réglable et au moins un dispositif de commande de l'orientation des pales selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.