Brevet FR3046438A1 — publié le 20170707

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des turbomachines comprenant une hélice ou une soufflante à calage variable. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Différentes architectures de turbomachine ont recours à une hélice (turbopropulseur, open rotor) ou une soufflante à calage variable. Cette variabilité permet à la turbomachine de s'adapter aux conditions de vol variables en maintenant un angle d'incidence de l'air favorable sur les pales. La variabilité du calage est particulièrement nécessaire pour les rotors ayant un faible taux de compression, comme les hélices de turbopropulseurs et les soufflantes de turbomachines ayant un taux de dilution (rapport entre le débit du flux secondaire (froid) et le débit du flux primaire (qui traverse le corps primaire)) élevé. Des dispositifs multiples ont été imaginés pour faire varier le calage des pales. Ces dispositifs comportent généralement une mise en rotation de la pale autour de son axe principal par l'intermédiaire de pignons coniques, situés sous le pied de la pale. Ces derniers coopèrent avec des pignons coniques d'un système de commande configuré pour commander le calage de la pale. En utilisation normale, lors des phases de vol, l'intervalle possible pour le calage d'une pale est généralement d'environ 65° (+40°, -25° par rapport à la position angulaire de la pale en phase de croisière), entre une position de petit pas à faible vitesse d'avancement et une position de grand pas à grande vitesse. Les calages dans ces conditions normales d'utilisation sont, par convention, dits positifs. On a représenté en figure 3 une vue en coupe d'un exemple de pale d'un rotor (d'une soufflante ou d'une hélice de turbopropulseur) sur laquelle a été illustré le centre gravité G de la pale. On comprendra que, en cas de défaillance, la pale a tendance à tourner sur elle-même autour de l'axe de pivotement Y (suivant la flèche A) sous l'effet des efforts centrifuges Fc qui 3046438 2 lui sont appliqués. La pale se retrouve alors dans une position dite "à plat", dans laquelle les pales forment un angle d'environ 0° avec le plan de rotation des pales (c'est-à-dire le plan comprenant les axes de pivotement des pales du rotor, qui est perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor), ce 5 qui est très défavorable pour la traînée de l'avion. En effet, dans cette position, la traînée du rotor est maximale et peut mettre en danger l'aéronef en réduisant la finesse de l'aéronef, ce qui rend le vol difficile à poursuivre avec le(s) moteur restant(s) en générant une traînée excessive (« excessive drag » en anglais), en créant un risque de survitesse et/ou en générant une 10 forte dissymétrie entre les traînées des turbomachines de l'aéronef, dans le cas où une seule de ces turbomachines est en panne (ce qui peut rendre l'avion impossible à piloter). Une des contraintes des systèmes de commande du calage des pales est donc d'amener celles-ci dans une position dite "en drapeau" dans 15 le cas d'une défaillance du mécanisme de changement de pas de la pale. La position en drapeau correspond à un calage supérieur à celui du grand pas, formant un angle d'environ 90° avec le plan de rotation des pales. Dans cette position, la corde des pales s'aligne sensiblement dans le lit du vent, réduisant ainsi la traînée qu'elles génèrent et, par suite, le déséquilibre 20 en lacet produit sur l'aéronef. Cette position en drapeau permet en outre de réduire la vitesse de rotation résiduelle des pales. Afin d'éviter que les pales ne passent en position "à plat " en vol, les pales sont généralement mises en position drapeau en cas de défaillance du mécanisme de changement de pas. 25 A cet effet, il a été proposé d'utiliser un système de contrepoids excentriques de forte densité (environ 19 tonnes par mètre cube), soumis à la force centrifuge et dont l'inertie, très supérieure à celle des pales, assure le retour de ces dernières dans la position en drapeau lorsque le mécanisme de changement de pas est défaillant. Au nombre de dix ou 30 douze répartis angulairement, ces contrepoids excentriques peuvent totaliser à eux seuls 150 à 200 kg. On pourra notamment se référer au document FR2957329 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur 3046438 3 ce type de système à contrepoids. Cette solution peut cependant être pénalisante en termes de masse car elle nécessite l'emploi de contrepoids lourds dont l'effet n'est pas démultiplié. De plus, ce système alourdit fortement la turbomachine, ce qui augmente sa consommation spécifique. 5 Il a également été proposé dans le document WO 2012/066240 au nom de la Demanderesse d'attacher des masselottes aux pignons coniques du système de commande du pas des pales de manière à les placer en porte-à-faux par rapport à eux. Le système est intégré dans les espaces situés entre les pales pour un encombrement axial et/ou radial minimal. En 10 fonctionnement normal, les masselottes sont maintenues en position par le système de commande du calage. En cas de défaillance du mécanisme de changement de pas, l'action de la force centrifuge due à la rotation de l'hélice entraîne les masselottes vers une position de repos qui correspond à la position en drapeau de la pale. Selon le mode de réalisation mentionné 15 dans cette demande, le pignon conique de pied de pale donne lieu à un rapport de réduction d'environ deux entre l'angle de calage du contrepoids et l'angle de calage de la pale. Cette solution permet donc de réduire la masse employée grâce à la démultiplication des effets des masselottes. Toutefois, la liberté de choix reste encore limitée en raison des contraintes 20 liées à l'encombrement de ce système par rapport à l'espace disponible. Ces contraintes peuvent donc conduire à l'empêchement de l'intégration du système dans le rotor (hélice ou soufflante). RESUME DE L'INVENTION 25 Un objectif de l'invention est donc de proposer un système pour une turbomachine comprenant une soufflante à calage variable capable d'éviter que les pales ne se mettent en position à plat en cas de défaillance du mécanisme de changement de pas, pour un poids modéré en comparaison avec l'art antérieur, qui soit de faible encombrement axial et radial et qui 30 puisse en outre être adapté sur une turbomachine présentant un taux de dilution élevé. 3046438 4 Pour cela, l'invention propose une soufflante d'une turbomachine, ladite soufflante comprenant : - un disque pourvu de pales à sa périphérie, lesdites pales étant montées à pivotement sur le disque autour d'un axe de pivotement, et 5 - un mécanisme de changement de pas desdites pales, ledit mécanisme étant configuré pour ajuster une position angulaire de chaque pale autour de l'axe de pivotement, ladite position angulaire étant comprise dans une plage angulaire de calage inférieure ou égale à 20°. 10 Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la soufflante décrite ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - la plage angulaire de calage de chaque pale comprend la position angulaire de la pale en phase de croisière, 15 - la plage angulaire de calage de chaque pale est centrée sur une position angulaire de la pale en phase de croisière, - la plage angulaire de calage de chaque pale s'étend entre +10° et 10°, par rapport à la position angulaire de la pale en phase de croisière, - la plage angulaire de calage de chaque pale comprend une plage 20 angulaire s'étendant entre -5° et +15°, de préférence entre 0° et +10°, par rapport à une position de la pale dans laquelle un pied de ladite pale est aligné avec un axe de révolution de la soufflante, - la soufflante comprend en outre des moyens de blocage de la rotation des pales autour de leur axe de pivotement, lesdits moyens de 25 blocage étant configurés pour limiter la plage angulaire de calage à 20°, - les moyens de blocage comprennent une ou plusieurs butées mécaniques configurées pour bloquer en rotation les pales autour de leur axe de pivotement, - la soufflante comprend un rapport de moyeu inférieur ou égal à 0.35, 30 par exemple compris entre 0.25 et 0.35, de préférence compris entre 0.28 et 0.32, 3046438 5 - le mécanisme de changement de pas de la soufflante est dépourvu d'un système de mise en drapeau comprenant des contrepoids excentriques et/ou des masselottes, et/ou - la soufflante présente un diamètre externe compris entre quatre-vingt 5 pouces (203.2 centimètres) et cent-dix pouces (279.4 centimètres), de préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres). Selon un deuxième aspect, l'invention propose également une 10 turbomachine comprenant une soufflante logée dans un carter de soufflante, ladite soufflante comprenant un disque pourvu de pales à sa périphérie, lesdites pales étant montées à pivotement sur le disque autour d'un axe de pivotement et un mécanisme de changement de pas desdites pales, ledit mécanisme étant configuré pour ajuster une position angulaire 15 de chaque pale autour de l'axe de pivotement, ladite position angulaire étant comprise dans une plage angulaire de calage inférieure ou égale à 20°. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la turbomachine décrite ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement zo on en combinaison : - elle comprend en outre une turbine en communication fluidique avec la soufflante et un mécanisme de réduction couplant la turbine et la soufflante, le mécanisme de réduction étant épicycloïdal ou planétaire et présentant un rapport de réduction compris entre 2.5 et 5, et/ou 25 - elle présente un rapport de dilution supérieur ou égal à 10, de préférence compris entre 12 et 18. Selon un troisième aspect, l'invention propose une soufflante de turbomachine, ladite soufflante comprenant : 30 - un disque de forme globalement annulaire et définissant un axe de révolution de la soufflante, ledit disque étant pourvu de pales à sa 3046438 6 périphérie, lesdites pales étant montées à pivotement sur le disque autour d'un axe de pivotement et présentant un centre de gravité, et - un mécanisme de changement de pas desdites pales, ledit mécanisme étant configuré pour ajuster une position angulaire de chaque 5 pale autour de l'axe de pivotement, le mécanisme de changement de pas étant dépourvu d'un système de mise en drapeau comprenant des contrepoids excentriques et/ou des masselottes. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 10 D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un exemple de 15 turboréacteur comprenant une soufflante conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, La figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'une pale de soufflante conforme à l'invention, sur laquelle ont été illustrées la position de la pale en phase de croisière ainsi que ses positions extrêmes, 20 lorsque la pale atteint les bornes inférieure et supérieure de la plage de variation de calage, et La figure 3, qui a déjà été décrite, est une vue en coupe d'un exemple de pale conforme à l'art antérieur. 25 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Comme illustré sur la figure 1, un turboréacteur 1 comprend, de manière conventionnelle, une soufflante 2 logée dans un carter de soufflante 20, un espace annulaire d'écoulement primaire et un espace annulaire d'écoulement secondaire. 30 L'espace d'écoulement primaire traverse un corps primaire comprenant, d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine, un ou plusieurs étages de compression (par exemple un 3046438 7 compresseur basse pression 4 et un compresseur haute pression 3), une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbine 5 (par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression) et un carter d'échappement 7. Le corps primaire étant conventionnel, il ne sera pas 5 davantage détaillé ici. La soufflante 2 comprend un disque de soufflante pourvu de pales 22 de soufflante à sa périphérie qui, lorsqu'elles sont mises en rotation, entraînent le flux d'air dans les espaces d'écoulement primaire et 10 secondaire de la turbomachine 1. Le disque de soufflante est entrainé par l'arbre basse pression, qui est centré sur l'axe X de la turbomachine 1 par une série de paliers et est entrainé en rotation par la turbine basse pression 5. Une pale 22 de soufflante comprend, de manière conventionnelle, un 15 bord d'attaque qui fait face au flux d'air entrant dans la soufflante 2, un bord de fuite opposé au bord d'attaque et des parois d'intrados 23 et d'extrados 24 reliant le bord d'attaque et le bord de fuite. La pale 22 comprend également un pied fixé sur le disque de soufflante et une tête s'étendant en regard du carter de soufflante. La pale 22 est montée à pivotement au 20 niveau de son pied sur le disque de soufflante autour d'un axe de pivotement Y, ledit axe de pivotement Y s'étendant radialement par rapport à l'axe X de rotation de la soufflante 2 (qui est confondu avec l'axe de la turbomachine 1). La soufflante 2 comprend en outre un mécanisme 8 de changement 25 pas des pales 22, configuré pour ajuster une position angulaire de chaque pale 22 autour de son axe de pivotement Y en fonction des phases de vol de la turbomachine 1. Les mécanismes 8 de changement de pas étant connus de l'homme du métier, ils ne seront pas davantage détaillés ici. On pourra par exemple se référer aux documents FR2957329 et 30 W02012/066240 cités plus haut, qui décrivent des exemples de tels mécanismes 8. 3046438 8 Les Demandeurs se sont aperçus que, grâce à la présence du carter 20 de soufflante, les variations de vitesse en amont de la soufflante 2 sont limitées, quelle que soit la phase de vol. Il est donc possible de réduire la plage A de variation nécessaire pour l'angle de calage des pales 22 de la 5 soufflante 2. Afin d'éviter que les pales 22 ne se mettent en position à plat en cas de défaillance du mécanisme 8 de changement de pas, la plage A de variation des angles de calage des pales 22 de la soufflante 2 est limitée à environ 20°. Ainsi, quelle que soit la position prise par la pale 22 sous l'effet 10 des efforts centrifuges, celle-ci ne risque pas de générer une traînée excessive pour l'aéronef. La plage A de variation des angles de calage des pales 22 comprend la position angulaire de la pale 22 en phase de croisière. Dans une forme de réalisation, la plage A angulaire de calage de 15 chaque pale 22 est centrée sur une position angulaire de la pale 22 en phase de croisière. Cette position a été illustrée, à titre d'exemple sur la figure 2 : la position centrale de la pale 22 sur cette figure correspond en effet à un exemple de position angulaire d'une pale de soufflante en phase de croisière. Les positions de part et d'autre de la position centrale peuvent 20 quant à elles illustrer les positions maximales pouvant être adoptée par une pale selon l'invention. Par exemple, la variation possible de l'angle de calage des pales 22 peut être comprise entre +10° et -10° par rapport à la position de la pale 22 lorsque l'avion est en phase de croisière. Afin d'éviter que la pale 22 atteigne une position dans laquelle l'air 25 passant dans la soufflante 2 n'est plus comprimé, la plage angulaire de calage A peut également être définie de manière à s'étendre entre -5° et +15°, de préférence entre 0° et +10°, par rapport à une position de la pale 22 dans laquelle son pied est aligné avec un axe X de la soufflante 2 (c'est-à-dire que la direction générale d'extension de la pale 22 au niveau du pied 30 de ladite pale 22 est sensiblement parallèle à l'axe X, lorsque la pale 22 forme un angle de 0° dans la plage de calage A). 3046438 9 Les pales 22 de la soufflante 2 ne peuvent plus donc se placer en position à plat, l'angle correspondant à cette position étant en dehors de la plage A de variation possible. Cette forme de réalisation permet ainsi de supprimer les systèmes de 5 mise en drapeau du type contrepoids excentriques ou à masselottes et donc de réduire fortement le poids du mécanisme 8 de changement de pas dans la mesure où, en cas de défaillance du mécanisme 8 de changement de pas, la pale 22 ne peut plus venir en position à plat. En effet, la position à plat correspondant à un angle de la pale 22 qui est à présent exclu de la plage A angulaire de la pale 22. Le gain en encombrement radial (c'est-à-dire suivant une direction radiale par rapport à l'axe X de la soufflante 2) permet en outre : - soit de réduire le rapport de moyeu (c'est-à-dire le rapport entre la distance Dl entre l'axe X de la soufflante 2 et la limite interne de la veine 15 d'air dans la soufflante 2 au niveau du bord d'attaque des pales 22 divisé par la distance D2 entre l'axe X de la soufflante 2 et la tête des pales 22) de la soufflante 2. - soit, à iso rapport de moyeu, d'augmenter le rapport de dilution de la turbomachine 1. 20 On comprendra bien entendu qu'il est également possible de combiner ces deux effets en augmentant le rapport de dilution de la turbomachine 1 tout en réduisant le rapport de moyeu. Typiquement, il est ainsi possible d'obtenir une soufflante 2 présentant un rapport de moyeu inférieur ou égal à 0.35, par exemple 25 compris entre 0.25 et 0.35, de préférence compris entre 0.28 et 0.32, pour un taux de dilution (« bypass ratio » en anglais) supérieur à 10, de préférence compris entre 12 et 18. Afin d'atteindre des taux de dilution supérieurs à 10, la soufflante 2 peut également être découplée de la turbine basse pression 5, permettant 30 ainsi d'optimiser indépendamment leur vitesse de rotation respective. Par exemple, le découplage peut être réalisé à l'aide d'un réducteur, tel qu'un mécanisme de réduction 10 épicycloïdal (« star gear reduction mecanism » 3046438 10 en anglais) ou planétaire (« planetary gear reduction mecanism » en anglais), placé entre l'extrémité amont (par rapport au sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine 1) de l'arbre basse pression et la soufflante 2. La soufflante 2 est alors entrainée par l'arbre basse pression par 5 l'intermédiaire du mécanisme de réduction 10. Ce découplage permet ainsi de réduire la vitesse de rotation et le rapport de pression de la soufflante 2 (« fan pressure ratio » en anglais) et d'augmenter la puissance extraite par la turbine basse pression 5. Le rendement propulsif de la turbomachine 1 est donc amélioré tandis que sa 10 consommation spécifique est réduite. Dans une forme de réalisation, le mécanisme de réduction 10 comprend un mécanisme de réduction épicycloïdal. Le rapport de réduction du mécanisme de réduction 10 est de préférence compris entre 2.5 et 0.5. 15 Le diamètre de la soufflante 2 peut être compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et cent-dix pouces (279,4 centimètres, de préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres). Par diamètre de la soufflante 2, on comprendra ici la distance radiale entre l'axe X de révolution de la soufflante 2 et la tête zo des pales 22 de la soufflante 2. Afin de limiter l'angle de calage des pales 22 à la plage A, la soufflante 2 comprend des moyens de blocage 30 de la rotation des pales 22 autour de leur axe de pivotement Y. Les moyens de blocage 30 peuvent 25 notamment comprendre une ou plusieurs butées mécaniques, placées à proximité de chaque pale 22 ou au sein du mécanisme 8 de changement de pas, afin de limiter l'angle pouvant être pris par les pales 22. Par exemple, dans un premier mode de réalisation illustré en figure 30 2, une ou plusieurs butées mécaniques 30 peuvent être prévues en regard de la paroi d'intrados 23 et de la paroi d'extrados 24 de chacune des pales 22 de la soufflante 2. Ces butées mécaniques 30 peuvent être placées en 3046438 11 tout point le long de la paroi concernée au niveau des positions extrêmes autorisées pour la pale 22 (par exemple, +10° et -10° par rapport à la position de la pale 22 en phase de croisière). Par exemple, une première butée peut être fixée de sorte qu'elle s'étende à faible distance du bord 5 d'attaque et en regard de la paroi d'intrados 23 lorsque la pale 22 forme un angle de -10° par rapport à la position de la pale 22 en phase de croisière tandis qu'une deuxième butée peut être fixée de sorte qu'elle s'étende à faible distance du bord d'attaque et en regard de la paroi d'extrados 24 lorsque la pale 22 forme un angle de +10° par rapport à la position de la 10 pale 22 en phase de croisière. En variante, les butées 30 peuvent s'étendre au niveau de l'axe de pivotement Y de la pale 22, en regard de la paroi d'intrados 23 et de la paroi d'extrados 24 lorsque la pale 22 prend les positions extrêmes décrites ci-dessus (et illustrées en figure 3). 15 Dans un deuxième mode de réalisation, une butée mécanique 30 peut être prévue au niveau du mécanisme 8 de changement de pas des pales 22, par exemple au niveau du vérin ou de tout autre élément du mécanisme 8 dont une course dépend de la position angulaire de la pale 22. 20 Le cas échéant, et en particulier lorsque la soufflante 2 est susceptible d'être utilisée en mode « reverse » (sens de rotation des pales 22 inversé), les butées mécaniques 30 peuvent être amovibles. REVENDICATIONS1. Soufflante (2) d'une turbomachine (1), ladite soufflante (2) 5 comprenant - un disque pourvu de pales (22) à sa périphérie, lesdites pales (22) étant montées à pivotement sur le disque autour d'un axe de pivotement (Y), et - un mécanisme de changement de pas desdites pales (22), ledit 10 mécanisme étant configuré pour ajuster une position angulaire de chaque pale (22) autour de l'axe de pivotement (Y), ladite position angulaire étant comprise dans une plage angulaire de calage (A), ladite soufflante (2) étant caractérisée en ce que la plage angulaire de calage (A) de chaque pale (22) est inférieure ou égale à 20°. 15 2. Soufflante (2) selon la revendication 1, dans laquelle la plage angulaire de calage (A) de chaque pale (22) comprend la position angulaire dé la pale (22) en phase de croisière. 20 3. Soufflante (2) selon la revendication 2, dans laquelle la plage angulaire de calage de chaque pale (22) est centrée sur une position angulaire de la pale (22) en phase de croisière. 4. Soufflante (2) selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle 25 la plage angulaire de calage (A) de chaque pale (22) s'étend entre +10° et 10°, par rapport à la position angulaire de la pale (22) en phase de croisière. 5. Soufflante (2) selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle la plage angulaire de calage (A) de chaque pale (22) comprend une plage 30 angulaire s'étendant entre -5° et +15°, de préférence entre 0° et +10°, par rapport à une position de la pale (22) dans laquelle un pied de ladite pale (22) est aligné avec un axe de révolution de la soufflante (2). 3046438 13 6. Soufflante (2) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre des moyens de blocage (30) de la rotation des pales (22) autour de leur axe de pivotement (Y), lesdits moyens de blocage (30) étant configurés pour limiter la plage angulaire de calage (A) à 20°. 7. Soufflante (2) selon la revendication 6, dans laquelle les moyens de blocage (30) comprennent une ou plusieurs butées mécaniques configurées pour bloquer en rotation les pales (22) autour de leur axe de 10 pivotement (Y). 8. Soufflante (2) selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant un rapport de moyeu inférieur ou égal à 0.35, par exemple compris entre 0.25 et 0.35, de préférence compris entre 0.28 et 0.32. 9. Soufflante (2) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le mécanisme de changement de pas de la soufflante (2) est dépourvu d'un système de mise en drapeau comprenant des contrepoids excentriques et/ou des masselottes. 10. Soufflante (2) selon l'une des revendications 1 à 9 présentant un diamètre externe compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et cent-dix pouces (279,4 centimètres), de préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres). 25 11. Turbomachine (1) comprenant une soufflante (2) logée dans un carter de soufflante (2), ladite soufflante (2) comprenant un disque pourvu de pales (22) à sa périphérie, lesdites pales (22) étant montées à pivotement sur le disque autour d'un axe de pivotement (Y) et un 30 mécanisme de changement de pas desdites pales (22), ledit mécanisme étant configuré pour ajuster une position angulaire de chaque pale (22) 15 20 3046438 14 autour de l'axe de pivotement (Y), ladite position angulaire étant comprise dans une plage angulaire de calage (A), la turbomachine (1) étant caractérisé en ce que la plage angulaire de calage (A) de chaque pale (22) est inférieure ou égale à 20°. 12. Turbomachine (1) selon la revendication 11, comprenant en outre une turbine (5) en communication fluidique avec la soufflante (2) et un mécanisme de réduction (10) couplant la turbine et la soufflante (2), le mécanisme de réduction (10) étant épicycloïdal ou planétaire et présentant un rapport de réduction compris entre 2.5 et 5. 13. Turbomachine (1) selon l'une des revendications 11 ou 12 présentant un rapport de dilution supérieur ou égal à 10, de préférence compris entre 12 et 18.15