Brevet FR3042009A1 — publié le 20170407

Turbo moteur à soufflantes déportées avec un système différentiel Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine aéronautique et porte sur un ensemble propulsif comportant au moins deux soufflantes entraînées par un même moteur. Elle vise plus particulièrement un système de transfert de puissance entre le moteur et les soufflantes qu'il entraîne. Etat de l'art Le présent déposant a entrepris des travaux portant sur une architecture d'ensemble propulsif à deux ou plus de deux soufflantes distribuées. Ceux ci ont pour objectifs de rechercher une optimisation du rendement propulsif grâce à un fort taux de dilution, tout en conservant une garde au sol acceptable et des soufflantes de taille réduite, à différents régimes des turbines. Le schéma de principe d'un tel ensemble 1 est représenté sur les figures 1 et 2. Un générateur de gaz 3, comprend de façon classique un ensemble de compression alimentant en air une chambre de combustion annulaire ; les gaz de combustion issus de la chambre entraînent une ou plusieurs turbines, reliées mécaniquement au compresseur, et ici une turbine libre 5. Cette dernière est solidaire d'un arbre de puissance 6 coaxial au générateur de gaz 3. Cet arbre de puissance 6 entraîne par le biais d'engrenages coniques appropriés deux arbres radiaux intermédiaires 8 et 8' disposés en particulier à angle droit par rapport à l'axe de l'arbre de puissance 6. Les arbres radiaux intermédiaires entraînent chacun un arbre de soufflante 9, 9' déporté par rapport à l'axe de l'arbre de puissance, c'est-à-dire d'axe décalé et parallèle à cet axe. La transmission de puissance est effectuée par le moyen de premiers engrenages 2 et 2' à pignons coniques entre l'arbre 6 et les arbres radiaux 8 et 8' et de seconds engrenages 4 et 4' à pignons coniques entre les arbres radiaux 8, 8' et les arbres de soufflantes 9 et 9'. Les arbres des soufflantes 9 et 9' entraînent chacun une soufflante 10, 10' d'axe parallèle à celui du moteur. Un tel agencement permet d'atteindre les objectifs visés ci-dessus. Selon l'art antérieur connu du déposant, la solution au problème de transmission entre la turbine libre et les arbres des soufflantes consiste à utiliser, pour chacune des soufflantes, des renvoi d'angle avec des 3042009 2 engrenages coniques simples à 450: Un premier engrenage, avec deux roues de même diamètre l'une sur l'arbre de la turbine libre et l'autre sur l'arbre radial, et un second engrènement conique à 45° avec deux roues de diamètres différents reliant l'arbre radial à celui de la soufflante. 5 On observe que les deux soufflantes sont amenées à fonctionner inévitablement à des régimes au moins très légèrement différents même en situation normale. En effet, en fonctionnement nominal il apparaît nécessairement une légère dissymétrie des couples consommés dans les deux soufflantes résultant par exemple d'une incidence différente des flux 10 d'air entre les deux soufflantes, de frottements différents dans les paliers, d'inerties et de formes des aubages légèrement différentes. Or le schéma cinématique proposé ci dessus, repose sur un renvoi d'angle simple entre l'arbre de turbine et deux arbres radiaux permettant de fournir la puissance requise aux modules des soufflantes. De ce fait, il est 15 cinématiquement impossible pour les deux lignes d'arbres de soufflante de tourner à des vitesses différentes. Un tel agencement a pour conséquence d'entrainer la génération de contraintes de cisaillement parasites, potentiellement de très grande amplitude, dans les lignes d'arbre des soufflantes. 20 L'invention a pour objectif la mise au point d'un moyen susceptible de fournir une capacité de distribution cinématique non uniforme entre les deux soufflantes. L'invention a également pour objectif de proposer une architecture de système propulsif à soufflantes multiples distribuées équipé d'un dispositif 25 de découplage permettant de dissocier les comportements cinématiques des arbres de transmission des soufflantes et ainsi pouvoir introduire des chargements différentiels sur chacun d'entre eux sans contraindre l'intégralité de la chaine de transmission. Exposé de l'invention 30 On parvient à ces objectifs, conformément à l'invention, avec un système différentiel comprenant un carter, un arbre axial d'entrée, un porte-satellites entraîné par l'arbre d'entrée, des pignons satellites montés sur le porte-satellites, au moins un pignon de renvoi supporté par le carter et des arbres radiaux perpendiculaires chacun à l'arbre axial d'entrée, les arbres radiaux 35 étant solidaires des pignons planétaires, le système différentiel étant caractérisé par le fait que le porte-satellites et l'arbre d'entrée sont coaxiaux, 3042009 3 le porte-satellites formant un moyeu sur lequel les axes de rotation des satellites sont disposés radialement. Le système différentiel de l'invention présente le double avantage d'un encombrement réduit et d'une répartition équilibrée des masses autour de 5 l'axe de l'arbre d'entrée. Ces propriétés rendent le système apte à être incorporé dans une turbomachine. En particulier, le système propose une répartition volumique du différentiel centrée sur l'axe moteur, car l'encombrement disponible est réduit et également centré sur l'axe moteur. Le système présente également une situation dynamique proche des 10 réducteurs connu car celui-ci ne comporte pas de grande roue tournant perpendiculairement à l'axe moteur et / ou à distance de cet axe. Conformément à un mode de réalisation préféré, le système différentiel comprend deux roues mobiles en rotation autour de l'arbre d'entrée, chaque roue mobile présentant une première couronne et une seconde couronne, 15 dentée. De manière avantageuse mais non limitative, les première et seconde couronnes d'une roue mobile étant tournées vers les premières et secondes couronnes de l'autre roue mobile, avec chaque première couronne des roues mobiles disposées en vis-à-vis engrenant avec les pignons satellites et chaque seconde couronne engrenant séparément avec 20 l'un desdits pignons de renvoi. Notamment selon un mode de réalisation particulier, les arbres des pignons planétaires sont disposés dans des plans perpendiculaires à l'arbre d'entrée différents. Selon un autre mode de réalisation particulier, les arbres des pignons 25 planétaires sont disposés dans un même plan perpendiculaire à l'arbre d'entrée, les deux secondes couronnes des roues mobiles en rotation n'étant alors pas de même rayon. Plus particulièrement, les roues mobiles présentent chacune un tourillon axial monté dans le carter par l'intermédiaire d'un palier, notamment, le 30 moyeu étant supporté par un desdits tourillons par l'intermédiaire d'un palier. Le déposant vise également à protéger un ensemble de propulsion d'un aéronef comprenant une turbine, au moins deux soufflantes d'axes déportés par rapport à l'axe de la turbine et un mécanisme de transmission de 35 puissance entre la turbine et les soufflantes, caractérisé par le fait que le mécanisme de transmission de puissance comprend un système différentiel 3042009 4 selon l'invention entre l'arbre de la turbine et des arbres disposés radialement par rapport à l'arbre de la turbine, lesdits arbres radiaux entraînant chacun une desdites soufflantes. De préférence, la turbine est entraînée par les gaz issus d'un générateur de 5 gaz et le générateur de gaz est un moteur à turbine à gaz avec un carter d'échappement comprenant deux viroles concentriques, l'une interne l'autre externe, définissant entre elles la veine des gaz moteurs en aval de la turbine, le système différentiel étant logé à l'intérieur de la virole interne. Dans cette configuration les arbres radiaux traversent les viroles du carter 10 d'échappement du moteur à turbine à gaz. Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit 15 de deux modes réalisation de l'invention, non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une représentation schématique d'une architecture d'ensemble de propulsion d'aéronef ; La figure 2 montre un agencement des pignons coniques dans 20 l'entraînement de l'arbre de soufflante par l'arbre de la turbine selon l'architecture de la figure 1 ; La figure 3 est une représentation schématique d'un système différentiel selon l'invention ; Les figures 4 et 5 montrent la répartition des efforts de part et d'autre des 25 roues satellites selon les charges appliquées sur les arbres d'entraînement des soufflantes La figure 6 est une représentation schématique d'une variante d'un système différentiel selon l'invention ; La figure 7 montre un exemple de réalisation pratique du différentiel de 30 l'invention ; et, La figure 8 est une vue en perspective et en coupe du système de différentiel selon l'invention 3042009 5 Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention En se reportant à la figure 3, on voit l'arbre d'entrée 6 du différentiel. Il est relié directement à l'arbre de la turbine et dans l'axe du générateur de gaz. Dans le prolongement de cet axe est monté un porte-satellites 12 entraîné 5 par l'arbre 6. Le porte-satellites 12 est supporté par le moyen de paliers appropriés par le carter de la machine 17, non représenté sur la figure 3. Ce porte-satellites 12 comprend autour de son axe et dans un même plan perpendiculaire à celui-ci, une pluralité de logements radiaux. Dans ces logements sont montés les arbres 131 de pignons satellites 13. 10 Deux roues mobiles 14 et 15 sont montées par l'intermédiaire de paliers dans le carter, leur axe de rotation respectif et l'arbre d'entrée 6 étant coaxiaux. Les roues mobiles comprennent chacune une première couronne dentée, 141 respectivement 151, et une seconde couronne dentée, 142 respectivement 152. Les premières couronnes, 141 respectivement 151, 15 sont de même rayon, disposées dans deux plans perpendiculaires à l'axe de l'arbre d'entrée 6 en étant opposées l'une par rapport à l'autre et distantes axialement l'une de l'autre de manière à engrener sur les pignons satellites 13. En d'autres termes, les premières couronnes 141, 151 des roues mobiles 14, 15 sont disposées en vis-à-vis. Ici, les pignons satellites 20 sont à 45° par rapport à l'axe de l'arbre d'entrée 6. Les roues mobiles 14 et 15 portent chacune une seconde couronne dentée, 142 et 152 respectivement. La seconde couronne dentée 142 de la roue 14 est de diamètre supérieur à celui de la première couronne 141 et engrène avec un pignon 181 d'axe radial 18. L'arbre radial 18 se prolonge extérieurement en 25 direction d'une soufflante et entraîne l'une des soufflantes déportées par l'intermédiaire d'un renvoi d'angle à 90°. De la même façon, la roue 15 comprend une seconde couronne dentée 152, ici de rayon sensiblement égal à celui de la couronne 142 de la roue 14. La couronne 152 engrène avec un pignon 191 solidaire d'un arbre radial 19. Les deux arbres radiaux 30 ne sont pas placés dans un même plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre d'entrée 6. L'arbre radial 19 est relié par un renvoi d'angle approprié à l'arbre d'entraînement d'une autre soufflante que précédemment d'axe déporté par rapport à l'axe de l'arbre d'entrée 6. Les pignons 181 et 191 avec leur arbre respectif sont supportés par le carter 17 de la turbomachine. 35 Ils forment les pignons de renvoi d'angle du système différentiel. Le système différentiel de l'invention fonctionne de la façon suivante : quand les charges appliquées sur les arbres 18 et 19 sont les mêmes l'arbre d'entrée 6 entraîne en rotation autour de son axe le porte-satellites 12 et les 3042009 6 roues 14 et 15 par l'intermédiaire des pignons satellites 13. Les secondes couronnes, extérieures entraînement en rotation, séparément, chacune un pignon de renvoi, 181 et 191 respectivement et les arbres 18 et 19. Dans cette hypothèse, la charge appliquée extérieurement aux arbres 18 et 19 est 5 la même. Il s'ensuit que les deux pignons de renvoi 181 et 191 tournent à la même vitesse autour de leur arbre respectif, 18 et 19. Si les charges appliquées sur les soufflantes ne sont pas identiques, il s'ensuit un déséquilibre entre les vitesses de rotation des arbres 18 et 19 et aussi entre les pignons de renvoi, 181 et 191 respectivement. Les roues 10 mobiles 14 et 15 sont alors amenées à tourner à des vitesses différentes l'une par rapport à l'autre. Cela est rendu possible par les satellites qui peuvent tourner autour de leur axe dans le porte-satellite. L'invention permet donc l'entraînement de soufflantes, au moins deux, d'axes déportés tout en absorbant les différences entre les charges 15 auxquelles elles sont soumises. Les figures 4 et 5 illustrent la rotation des satellites autour de leur axe respectif quand un déséquilibre apparaît entre les efforts de réaction par rapport au différentiel. Quand les charges sont les mêmes sur les deux soufflantes, figure 4, les efforts appliqués de part et d'autre sur les pignons de renvoi sont à l'équilibre et les roue mobiles 14 et 20 15 tournent à la même vitesse. Quand les charges appliquées de part et d'autre des satellites ne sont plus en équilibre, les satellites 13 tournent autour de leur axe à des vitesses différentes autorisant les roues mobiles 14, 15 et les pignons de renvoi à tourner à des vitesses de rotation différentes. 25 La figure 6 montre une variante de réalisation du système différentiel. Les deux arbres 18' et 19' entraînent chacun une soufflante et sont disposés selon ce mode de réalisation dans un même plan perpendiculaire à l'axe de la turbine. Afin de permettre à chacune des deux roues mobiles 14' et 15' d'entraîner séparément et individuellement un des deux arbres 18 ou 19, il 30 est alors nécessaire que les diamètres de deux secondes couronnes 142' et 152' soient différents comme cela apparaît sur la figure. Le fonctionnement est le même que dans la réalisation précédente. La figure 7 montre un exemple de réalisation pratique du système différentiel de l'invention. On observe que dans ce cas les roues mobiles 14 35 et 15 sont supportées par le carter 17 et comprennent chacune un tourillon 143 et 153 respectivement, relié chacun par des paliers à billes ou à 3042009 7 rouleaux au carter 17. Le porte-satellites 12 est supporté par des paliers appropriés par les tourillons. En particulier, sur la figure 8 où le système différentiel est représenté selon une vue en perspective et en coupe, le carter 17 est agencé de manière à 5 guider et à maintenir en position les arbres radiaux 18, 19 et les roues mobiles 14, 15. Les arbres radiaux 18, 19 ne sont pas dans le même plan. Les roues 14, 15 mobiles sont liées mécaniquement au carter 17 au moyen de deux doublets de paliers dont un palier à billes 14p1, 15p1 et un palier à rouleaux 14p2, 15p2 qui assurent leur guidage en rotation. Les arbres 10 radiaux 18, 19 sont également supportés par un doublet de paliers comprenant un palier à billes 18p1, 19p1 et un palier à rouleaux 18p2, 19p2. Cette configuration de double appui (paliers à billes et paliers à rouleaux) et le fait que les paliers à billes soient disposés au plus près des dentures des pignons de renvoi 181, 191 et des premières et secondes 15 couronnes 141, 151, 142, 152 permet d'avoir une bonne qualité de transmission et une bonne tenue dynamique. Cela permet également d'éviter les contraintes . REVENDICATIONS1. Système différentiel comprenant un carter (17), un arbre axial (6) d'entrée, un porte-satellites (12) entraîné par l'arbre axial d'entrée (6), des pignons satellites (13) montés sur le porte-satellites (12), au moins un pignon de renvoi (181, 191) supporté par le carter (17) et des arbres radiaux (18, 19) perpendiculaires chacun à l'arbre axial d'entrée (6), les arbres radiaux (18, 19) étant solidaires des pignons de renvoi (181, 191), caractérisé par le fait que le porte- satellites (12) et l'arbre d'entrée (6) sont coaxiaux, le porte-satellites (12) formant un moyeu sur lequel les axes des pignons satellites f13) sont disposés radialement. 2.. Système selon la revendication précédente comprenant deux roues (14, 15) mobiles en rotation autour de l'arbre d'entrée (6), chaque roue présentant une première couronne (141, 142) dentée et une seconde couronne (151, 152), dentée, chaque première couronne (141, 151) des roues mobiles (14, 15) engrenant avec les pignons satellites (13) étant disposées en vis-à-à-vis, et chaque seconde couronne (142, 152) engrenant séparément avec l'un (181, 191) desdits pignons de renvoi. 3. Système selon la revendication précédente dont les arbres (18, 16) des pignons de renvoi sont placés dans des plans perpendiculaires à l'arbre d'entrée (6) différents. 4. Système selon l'une des revendications 1 et 2 dont les arbres (18, 19) des pignons de renvoi sont dans un même plan perpendiculaire à l'arbre d'entrée (6), les rayons des deux secondes couronnes (142, 152) des roues mobiles en rotation (14, 15) étant différents. 5. Système selon l'une des revendications 2 à 4 dont les roues mobiles en rotation (14, 15) présentent chacune un tourillon axial monté dans le carter par l'intermédiaire d'un palier. 6. Système selon la revendication précédente dont le moyeu est supporté par un desdits tourillons par l'intermédiaire d'un palier. 7. Ensemble de propulsion d'un aéronef comprenant une turbine (15), au moins deux soufflantes (10) d'axes déportés par rapport.à l'exe de la turbine et un mécanisme de transmission de puissance entre la 3042009 9 turbine et les soufflantes, caractérisé par le fait que le mécanisme de transmission de puissance comprend un système d'engrenages différentiel selon l'une des revendications précédentes entre l'arbre de la turbine et des arbres disposés radialement par rapport à l'arbre de la turbine, lesdits arbres radiaux entraînant chacun une desdites soufflantes. 8. Ensemble de propulsion selon la revendication précédente dont la turbine est entraînée par un générateur de gaz. 9. Ensemble de propulsion selon la revendication précédente dont le 10 générateur de gaz est un moteur à turbine à gaz avec un carter d'échappement comprenant deux viroles concentriques, l'une interne l'autre externe, définissant la veine des gaz moteurs en aval de la turbine, le système différentiel étant logé à l'intérieur de la virole interne. 15 10. Ensemble selon la revendication précédente dont les arbres radiaux traversent les viroles du carter d'échappement.