Brevet FR3048228A1 — publié le 20170901

MOYEU D'HÉLICE À PALES À CALAGE VARIABLE AVEC VARIATION RADIALE ET AXIALE DE DIMENSIONNEMENT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines, et plus particulièrement au domaine général des aubages de turbomachine à calage variable. L'invention s'applique à tout type de turbomachines terrestres ou aéronautiques, et notamment aux turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs, de type tracteur ou pousseur. De façon non limitative, l'invention peut par exemple s'appliquer à un turboréacteur double corps et double flux, ou encore à une turbomachine pour aéronef du type dénommé « à soufflante(s) non carénée(s) », portant encore les appellations anglaises « open rotor » ou « propfan » pour un doublet d'hélices contrarotatives ou corotatives non carénées, ou encore l'appellation anglaise « unducted single fan » (USF) pour une seule hélice non carénée. L'architecture générale d'une turbomachine du type « à soufflante(s) non carénée(s) » se distingue de celle d'une turbomachine conventionnelle par la disposition particulière de la soufflante à l'extérieur du carénage de la turbomachine. On distingue deux types de turbomachines à soufflante(s) non carénée(s), à savoir celles du type pousseur (« open rotor pusher » en anglais) et celles du type tracteur (« open rotor puller » en anglais). Dans le cas d'une turbomachine à soufflante(s) non carénée(s) du type pousseur, l'hélice rotative ou les hélices corotatives ou contrarotatives sont disposées en aval de la turbomachine, c'est-à-dire à l'arrière de la turbomachine en suivant le sens de déplacement de l'aéronef. Dans le cas d'une turbomachine à soufflante(s) non carénée(s) du type tracteur, l'hélice rotative ou les hélices corotatives ou contrarotatives sont situées en amont de la turbomachine, c'est-à-dire à l'avant. L'invention concerne ainsi plus précisément un moyeu d'hélice à pales à calage variable pour une turbomachine à axe longitudinal de rotation présentant une variation axiale et radiale de sa dimension transversale, ainsi qu'une turbomachine comportant un tel moyeu d'hélice. 3048228 2 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine général des turbomachines, il est connu d'utiliser des aubages de turbomachine comprenant au moins un rotor et des pales à calage géométrique variable. 5 Une hélice d'un tel aubage à calage variable comprend une pluralité de pales entraînées en rotation par le rotor autour de l'axe de la turbomachine ou axe de l'hélice. Le calage géométrique est l'angle formé par la corde du profil de la pale et le plan de rotation de l'hélice, défini comme le plan orthogonal à l'axe de rotation de l'hélice de l'aubage. 10 De façon classique, les pales d'une hélice se situent au dessus du moyeu d'hélice, encore désigné par le terme « veine », typiquement de forme sensiblement cylindrique. Le calage variable d'une pale de l'hélice sur un tel moyeu (ou veine) de forme sensiblement cylindrique nécessite la présence d'un jeu entre le moyeu et la pale d'hélice. La dimension de ce jeu peut être variable en fonction du calage. Néanmoins, 15 pour la qualité de l'écoulement aérodynamique sur la pale, ce jeu n'est pas souhaitable. On connaît diverses solutions permettant de gérer l'interface entre une pale d'hélice de la turbomachine et le moyeu d'hélice de forme sensiblement cylindrique. Ainsi, une configuration de raccord entre la pale d'hélice et le moyeu d'hélice consiste à ne prévoir aucune plateforme de pale. Alors, le moyeu est « ouvert » au niveau 20 de la pale et communique librement avec l'écoulement externe au moyeu. Il existe alors une forme de discontinuité géométrique du moyeu, qui occasionne des perturbations de l'écoulement en pied de pale qui sont nuisibles pour les performances aérodynamiques de l'hélice. Il existe aussi une configuration de raccord entre la pale d'hélice et le moyeu 25 d'hélice qui prévoit l'utilisation d'une plateforme de pale. Cette plateforme permet alors de « combler » l'ouverture au niveau du moyeu d'hélice et permet le montage de la pale. Le dimensionnement et la géométrie de cette plateforme sont prévus de telle sorte à garantir une bonne continuité géométrique à un calage particulier, donc pour un point de vol particulier. Ce point de vol est traditionnellement choisi comme le point pour lequel 30 l'optimisation des performances est souhaitée. Toutefois, lors de la variation du calage, la 3048228 3 plateforme crée un ressaut avec le moyeu d'hélice, entraînant une rupture dans la géométrie globale qui est une source de perte d'efficacité pour les pales. Une autre configuration connue de raccord entre la pale d'hélice et le moyeu d'hélice consiste à utiliser une plateforme de pale et à prévoir que la pale ne soit pas 5 entièrement attachée à la plateforme. Ceci est par exemple possible dans le cas d'une hélice à large corde. Alors les perturbations induites sont de deux natures, à savoir d'une part le ressaut créé par la plateforme comme indiqué précédemment, et d'autre part l'existence d'un jeu entre la pale et la plateforme pour les parties débordantes. Il apparaît ainsi un besoin pour prévoir une autre solution de raccord entre 10 une pale à calage variable d'hélice de turbomachine et le moyeu d'hélice correspondant pour limiter le jeu existant entre la pale et le moyeu sur toute la plage de calage de la pale, tout en garantissant les performances d'écoulement aérodynamique au niveau du moyeu d'hélice. On connaît de la demande de brevet américain US 2013/0343892 Al des 15 veines de turbomachine ayant des variations de diamètre selon l'axe moteur. Plus précisément, il y est décrit une veine comportant deux variations de diamètre, une sous chaque rotor d'un doublet d'hélices contrarotatives, formant un anneau de diamètre constant. Ces variations permettent de diminuer le niveau de Mach sur les rotors et donc de diminuer les chocs sur les pales. Cependant, ce type de veine ne permet pas de limiter 20 le jeu qui existe entre la veine et une pale à calage variable sur l'ensemble de la plage de calage. Par ailleurs, la demande de brevet français FR 3 006 988 Al décrit un pivot de pale sphérique qui permet une meilleure intégration d'une pale à calage variable dans la nacelle, et permet ainsi de limiter le jeu entre la veine et la pale. Toutefois, la question de 25 la structure de la veine et de ses performances aérodynamiques n'est pas adressée. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. 3048228 4 L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un moyeu d'hélice à pales à calage variable pour une turbomachine à axe longitudinal de rotation, comportant une pluralité de plateformes de pale, chacune destinée à recevoir un pied de pale, réparties au niveau du pourtour annulaire externe du moyeu de manière concentrique à 5 l'axe longitudinal de rotation, caractérisé en ce que chaque plateforme de pale présente une forme géométrique générale de calotte sphérique, et en ce que, entre deux plateformes de pale adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation, la dimension transversale, notamment le diamètre, du moyeu est variable 10 axialement et radialement. La forme géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale peut notamment être réalisée tel que décrit dans la demande de brevet français FR 3 006 988 Al. Grâce à l'invention, il peut être possible de garantir un raccord continu entre 15 une pale d'hélice à calage variable d'une turbomachine et le moyeu d'hélice correspondant, notamment une continuité géométrique entre la plateforme de la pale et le moyeu d'hélice, sur toute la plage de calage de la pale, tout en garantissant les performances aérodynamiques du moyeu d'hélice, à savoir une limitation du décollement de la couche limite au niveau de la plateforme, une limitation des perturbations du flux 20 d'air et une augmentation de la section de passage en pied de pale lorsque le moyeu est creusé afin de diminuer le mach relatif sur les profils. Le moyeu d'hélice selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. 25 Le moyeu peut tout particulièrement présenter, entre deux plateformes de pale adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation, une forme de relief géométrique entraînant une variation axiale et radiale de la dimension transversale, notamment du diamètre, du moyeu. La concavité de la forme géométrique générale de calotte sphérique de 30 chaque plateforme de pale est avantageusement inverse de la concavité de la forme de 3048228 5 relief géométrique du moyeu entre deux plateformes de pale adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation. Selon une première réalisation, la forme géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale peut être sensiblement convexe par rapport à 5 l'axe longitudinal de rotation et la forme de relief géométrique du moyeu entre deux plateformes de pale adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation peut être sensiblement concave par rapport à l'axe longitudinal de rotation. Selon une deuxième réalisation, la forme géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale peut être sensiblement concave par rapport à 10 l'axe longitudinal de rotation et la forme de relief géométrique du moyeu entre deux plateformes de pale adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation peut être sensiblement convexe par rapport à l'axe longitudinal de rotation. La forme de relief géométrique du moyeu entre deux plateformes de pale adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation peut s'apparenter sensiblement, en 15 coupe transversale, à une forme d'arc de cercle. Par ailleurs, les concavités inverses des formes géométriques générales de calotte sphérique de chaque plateforme de pale et des formes de relief géométrique du moyeu entre deux plateformes de pale adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation peuvent être formées de part et d'autre d'une forme générale sensiblement cylindrique 20 du moyeu de rayon constant Rnominai, chaque forme géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale étant définie par une portion de cercle de rayon constant Rcercie avec un centre de cercle situé à une distance constante Roff de l'axe de rotation. La paramétrisation du dimensionnement du moyeu peut alors satisfaire à la relation suivante : 25 Rnominai °minai Ro2 ff Rc2ercle 1 360 cf)- arcos G 2* Rnominai * Ro f f 2 Z dans laquelle Z représente le nombre de plateformes de pale. De manière préférentielle, la paramétrisation du dimensionnement du moyeu peut satisfaire à la relation suivante : 3048228 6 nominal + Ro2 ff - Rc2ercle 1 360 cf)- arcos REVENDICATIONS1. Moyeu (la, lb) d'hélice à pales (2a, 2b) à calage variable pour une turbomachine (10) à axe longitudinal de rotation (X), comportant une pluralité de plateformes de pale (3a, 3b), chacune destinée à recevoir un pied de pale, réparties au niveau du pourtour annulaire externe (Pa, Pb) du moyeu (la, lb) de manière concentrique à l'axe longitudinal de rotation (X), caractérisé en ce que chaque plateforme de pale (3a, 3b) présente une forme géométrique générale de calotte sphérique, et en ce que, entre deux plateformes de pale (3a, 3b) adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation (X), la dimension transversale (D) du moyeu (la, lb) est variable axialement et radialement. 2. Moyeu selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu (1a, lb) présente, entre deux plateformes de pale (3a, 3b) adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation (X), une forme de relief géométrique (4a, 4b) entraînant une variation axiale et radiale de la dimension transversale (D), notamment du diamètre (D), du moyeu (1a, lb). 3. Moyeu selon la revendication 2, caractérisé en ce que la concavité de la forme géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale (3a, 3b) est inverse de la concavité de la forme de relief géométrique (4a, 4b) du moyeu (1a, 1b) entre deux plateformes de pale (3a, 3b) adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation (X). 4. Moyeu selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la forme géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale (3a, 3b) est sensiblement convexe par rapport à l'axe longitudinal de rotation (X) et en ce que la forme de relief géométrique (4a, 4b) du moyeu (la, lb) entre deux plateformes de pale 3048228 14 (3a, 3b) adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation (X) est sensiblement concave par rapport à l'axe longitudinal de rotation (X). 5. Moyeu selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la forme 5 géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale (3a, 3b) est sensiblement concave par rapport à l'axe longitudinal de rotation (X) et en ce que la forme de relief géométrique (4a, 4b) du moyeu (la, lb) entre deux plateformes de pale (3a, 3b) adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation (X) est sensiblement convexe par rapport à l'axe longitudinal de rotation (X). 10 6. Moyeu selon l'une quelconque des revendication 2 à 5, caractérisé en ce que la forme de relief géométrique (4a, 4b) du moyeu (la, lb) entre deux plateformes de pale (3a, 3b) adjacentes autour de l'axe longitudinal de rotation (X) s'apparente sensiblement, en coupe transversale, à une forme d'arc de cercle. 15 7. Moyeu selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les concavités inverses des formes géométriques générales de calotte sphérique de chaque plateforme de pale (3a, 3b) et des formes de relief géométrique (4a, 4b) du moyeu (1a, lb) entre deux plateformes de pale (3a, 3b) adjacentes autour de l'axe 20 longitudinal de rotation (X) sont formées de part et d'autre d'une forme générale sensiblement cylindrique du moyeu (la, lb) de rayon constant (Rnomi'ai), chaque forme géométrique générale de calotte sphérique de chaque plateforme de pale (3a, 3b) étant définie par une portion de cercle de rayon constant (Rcercie) avec un centre (C) de cercle situé à une distance constante (Roll) de l'axe de rotation (X), 25 et en ce que la paramétrisation du dimensionnement du moyeu (la, lb) satisfait à la relation suivante : arcos Rn2 °minai + R o2 ff - Rc2erele 1 360 ( 8. Moyeu selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paramétrisation du dimensionnement du moyeu (1a, lb) satisfait à la relation suivante : arcoS nominal + f eercle 9. Moyeu selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyeu (1a, lb) est défini par un moyeu de référence de forme cylindrique, de rayon nominal (Rnominal), et en ce que, en section transversale, les courbes tangentes aux points d'intersection (B1, B4) de deux plateformes adjacentes (3a, 3b) avec le rayon nominal (Rnominal) du moyeu de référence de forme cylindrique sont respectivement 10 identiques aux courbes tangentes de cercles définissant en partie les plateformes (3a, 3b). 10. Turbomachine (10), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un moyeu d'hélice (1a, lb) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et au moins une hélice comprenant une pluralité de pales à calage variable (2a, 2b), chacune 15 montée sur une plateforme de pale (3a, 3b) dudit au moins un moyeu d'hélice (1a, lb). 11. Turbomachine selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle est du type à soufflante(s) non carénée(s), comportant au moins une hélice de soufflante, notamment une hélice ou un doublet d'hélices corotatives ou contrarotatives, les pales 20 (2a, 2b) de ladite au moins une hélice de soufflante étant montées sur les plateformes de pale (3a, 3b) dudit au moins un moyeu d'hélice (la, lb).