Brevet FR3053726A1 — publié le 20180112

COMMANDE D'ORIENTATION DE PALES D'AUBE DE ROTOR POUR TURBOMACHINE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte aux turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus précisément, l'invention concerne une commande de calage de pales de rotor pour turbomachine et/ou de battement des pales. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De nombreux avions à décollage horizontal comprennent au moins un turboréacteur à double flux qui comporte une soufflante. La soufflante comprend un arbre auquel est fixé un disque mobile en rotation autour de l'axe longitudinal de l'arbre. Les aubes de soufflante sont fixées au disque à partir duquel elles s'étendent radialement. Ces aubes peuvent être soumises à des contraintes mécaniques qui varient lors d'une révolution du turboréacteur, notamment lorsque le turboréacteur est logé dans une nacelle au moins partiellement intégrée au fuselage de l'avion. Ces contraintes mécaniques sont également susceptibles de varier le long de l'aube. Il en découle une fatigue mécanique accrue de ces aubes de soufflante et un risque qu'elles se détériorent prématurément. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre au moins partiellement les problèmes rencontrés dans les solutions de l'art antérieur. A cet égard, l'invention a pour objet une turbomachine d'aéronef. La turbomachine comprend un rotor comprenant un arbre et des aubes mobiles en rotation autour de l'axe de rotation de l'arbre, l'arbre portant un disque auquel sont reliées mécaniquement les aube mobiles, les aubes mobiles étant mobiles par rapport au disque. Selon l'invention, au moins une des aubes comprend une pale et un détecteur d'orientation configuré pour déterminer l'orientation de la pale relativement au disque. 3053726 2 La détermination de l'orientation de la pale permet de détecter tout problème d'orientation de la pale, notamment des vibrations intempestives de la pale, de calage incorrect de la pale et/ou de débattement intempestif de la pale. La détermination de l'orientation de la pale permet aussi de commander plus précisément l'orientation de la 5 pale. L'invention peut comporter de manière facultative une ou plusieurs des caractéristiques suivantes combinées entre elles ou non. Avantageusement, la turbomachine comprend un système de commande configuré pour commander l'orientation de la pale en fonction de l'orientation de la pale 10 déterminée par le détecteur d'orientation. L'orientation de la pale est alors commandée en boucle fermée, ce qui permet de commander plus précisément l'orientation de la pale. La commande de l'orientation de la pale en boucle fermée permet notamment de limiter les régimes transitoires lors de changement d'orientation de la pale. 15 Selon une particularité de réalisation, la pale est reliée mécaniquement au disque, en étant mobile en rotation par rapport au disque autour d'au moins un axe choisi parmi un axe de traînée de la pale, autour d'un axe de pas de la pale et/ou autour d'un axe de battement de la pale. Selon une forme de réalisation avantageuse, la turbomachine comprend 20 une articulation et un manchon qui est rigidement solidaire de la pale, le manchon étant relié mécaniquement au disque par l'articulation, de manière à ce que la pale soit mobile en rotation par rapport au disque autour d'un premier axe de rotation et d'un deuxième axe de rotation incliné par rapport au premier axe de rotation. Avantageusement, la turbomachine comprend un mécanisme de 25 changement d'orientation de pale comportant : au moins un premier vérin dont une extrémité est rigidement solidaire de la pale et dont l'autre extrémité est fixée à une première pièce qui est solidaire en rotation du disque de rotor, 3053726 3 au moins trois deuxièmes vérins configurés pour relier mécaniquement la première pièce à une deuxième pièce, les deuxièmes vérins étant configurés pour faire varier l'inclinaison et/ou la distance de la première pièce relativement à la deuxième pièce. Selon une particularité de réalisation, la première pièce comprend un 5 roulement situé radialement entre le premier vérin et un des deuxièmes vérins. Selon une autre particularité de réalisation, le détecteur comprend un gyroscope, un inclinomètre et/ou un compas. De préférence, le compas est un compas magnétique. Selon une forme de réalisation avantageuse, le système de commande 10 comprend un système électronique de régulation de la turbomachine, le détecteur étant configuré pour transmettre au système électronique de régulation un signal représentatif de détermination d'orientation de la pale relativement au disque par télémesure. De préférence, le signal représentatif de détermination d'orientation de la pale est transmis par une liaison sans fil au système électronique de régulation. 15 Avantageusement, le rotor est un rotor de soufflante. L'invention concerne aussi un avion à décollage horizontal comprenant une turbomachine telle que définie ci-dessus. L'invention se rapporte également à un procédé de détermination de l'orientation d'une aube mobile d'une turbomachine telle que définie ci-dessus. Le 20 procédé comprend une étape de détermination de l'orientation de la pale de l'aube par le détecteur d'orientation. L'invention a trait enfin à un procédé de commande de l'orientation de l'aube, mettant en oeuvre le procédé de détermination tel que défini ci-dessus. Le procédé de commande comprend une étape de commande de l'orientation de la pale par le système 25 de commande en fonction de l'orientation déterminée par le détecteur d'orientation. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : 3053726 4 la figure 1 est une représentation schématique en élévation d'un avion à décollage horizontal, comprenant une turbomachine selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une représentation schématique d'une 5 turbomachine selon le premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 représente de manière schématique un rotor de soufflante dont la position des pales des aubes mobiles est commandé par un système de commande, selon le premier mode de réalisation ; - la figure 4 est une représentation schématique fonctionnelle 10 du système de commande de position des aubes de rotor de soufflante d'une turbomachine selon le premier mode de réalisation ; EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures 15 portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. La figure 1 représente un avion 1 à décollage horizontal. L'avion 1 comprend un fuselage 4 et des ailes 5 formant une voilure fixe par rapport au fuselage 4. L'avion 1 comprend deux nacelles 6 partiellement intégrées au fuselage 4, ce qui permet 20 de réduire la consommation de carburant et les émissions sonores de l'avion 1. Les nacelles 6 sont situées de part et d'autre du fuselage 4 et en amont des ailerons 7. Elles logent chacune un seul turboréacteur 2 d'axe longitudinal 3. Dans toute la description, il est noté que les termes amont et aval sont à considérer par rapport à une direction principale F d'écoulement normal des gaz (de 25 l'amont vers l'aval) pour une turbomachine, également appelée direction axiale. Elle correspond à la direction de l'axe longitudinal 3 des turboréacteurs 2. Un plan radial P est un plan orthogonal à l'axe longitudinal 3 et une direction radiale est une direction appartenant à un plan radial P. 3053726 5 Chacun des turboréacteurs 2 est une turbomachine à double flux et à double corps. La figure 2 représente une de ces turbomachines 2. La turbomachine 2 est de révolution autour de son axe longitudinal 3 autour duquel s'étendent ses différents 5 composants. Elle comprend, d'amont en aval selon la direction principale d'écoulement des gaz, une soufflante 12, des bras radiaux 13 de redressement du flux d'air, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 17, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 19. Le compresseur basse pression 14, le compresseur haute pression 16, la 10 chambre de combustion 17, la turbine haute pression 18 et la turbine basse pression 19 sont délimitées par des carters 15 pour former une veine primaire de la turbomachine 2. En référence aux figures 2 et 3, la soufflante 12 comprend un rotor 10 enfermé dans un carter fixe (non représenté). Le rotor 10 est mobile en rotation autour d'un axe de rotation de la soufflante qui correspond sensiblement à l'axe longitudinal 3 du 15 turboréacteur 2. Le rotor 10 comprend au moins un disque central 21, un arbre central 11 portant le disque 21, un étage d'aubes mobiles 22, 24 qui s'étendent radialement en périphérie du disque 21, des premiers vérins 64 et un support 63 des premiers vérins. L'arbre central 11 est mobile en rotation autour de l'axe longitudinal 3. Il 20 porte les aubes 22, 23 par l'intermédiaire du disque central 21. L'étage d'aubes comprend au moins une première aube mobile 22 et une deuxième aube 24 adjacente à la première aube 22 autour de la direction axiale. Chacune de ces aubes 22, 24 comprend un pied et une pale 23, 25. Chacune des aubes mobiles 22, 24 est reliée mécaniquement au disque 25 21 par l'intermédiaire d'une rotule 53 et d'un manchon 54 de support de l'aube. Chaque rotule 53 est reliée mécaniquement à une seule des aubes 22, 24, ce qui les rend mobiles par rapport au disque 21 au moins partiellement indépendamment les unes des autres. Chaque manchon 54 comprend un corps longiligne qui est de forme tubulaire et dans lequel est inséré le pied de l'aube 22, 24 correspondante. 3053726 6 Ce manchon 54 est relié mécaniquement au disque 21 par la rotule 53 à laquelle il est fixé. La rotule 53 joue le rôle d'articulation du manchon 54 par rapport au disque 21. La rotule 53 située entre la pale 23 de la première aube 22 et le disque 21 5 permet une rotation du manchon 54 de cette pale 23 relativement au disque 21 autour de l'axe de traînée X-X de la pale 23, de l'axe de pas Y-Y de la pale 23 et de l'axe de battement Z-Z de la pale 23. La rotule 53 empêche un débattement en translation du manchon 54 relativement au disque 21. Les axes de traînée X-X, de pas Y-Y et de battement Z-Z sont sensiblement 10 orthogonaux deux à deux. L'axe de pas Y-Y et l'axe de battement Z-Z de la pale 23 sont dans le plan du disque lorsque l'aube 22 est au repos. L'axe de traînée X-X est sensiblement parallèle à l'axe de rotation 3 du disque 21 lorsque l'aube 22 est au repos. Le repère orthonormé formé par l'axe de traînée X-X, l'axe de pas Y-Y et l'axe de battement de la pale Z-Z a pour origine le centre de la rotule 53 de cette pale 23. Ce repère est mobile par rapport 15 au disque 21, en suivant la pale 23 par rapport au disque 21. La pale 23 de la première aube 22 est alors mobile en rotation par rapport au disque 21 autour de son axe de traînée X-X, de son axe de pas Y-Y et de son axe de battement Z-Z, ce qui diminue la fatigue mécanique de l'aube 22. Elle est sensiblement immobilisée en translation par rapport au disque 21 par sa rotule 53. 20 De même, la pale 25 de la deuxième aube 24 est mobile en rotation par rapport au disque autour de son axe de traînée X1-X1, de son axe de pas Yi-Yi de la pale et de son axe de battement Z1-Z1. Le repère orthonormé X1-X1, Y1-Y1 et Z1-Z1 a pour origine le centre de la rotule 53 de la deuxième aube 24. La fatigue des aubes 22, 24 est notamment réduite efficacement vis-à-vis 25 du phénomène d'ingestion de couche limite située à proximité de la jonction du fuselage 4 et de la nacelle 6 logeant le turboréacteur 2. Toujours en référence conjointe aux figures 2 et 3, la turbomachine 2 comporte un support 61 de deuxièmes vérins qui fait partie du stator et des deuxièmes vérins 62 qui sont fixés au stator de la turbomachine. 3053726 7 Les premiers vérins 64, les deuxièmes vérins 62, le support 63 des premiers vérins, le support des deuxièmes vérins 61 font partie d'un mécanisme 60 de changement d'orientation des pales 23, 25. Le mécanisme 60 de changement d'orientation des pales 23, 25 5 comprend un premier étage et un deuxième étage situé en aval du premier étage le long de l'axe longitudinal 3. Le premier étage comprend les premiers vérins 64, le support 63 des premiers vérins, une couronne extérieure 69 de fixation des deuxième vérins 62, et un roulement 68 qui est situé radialement entre le support 63 des premiers vérins et la 10 couronne 69. Le deuxième étage du mécanisme 60 comprend les deuxièmes vérins 62 et le support 61 des deuxièmes vérins 62. Les premiers vérins 64 sont espacés les uns des autres autour du disque 21.11s s'étendent chacun axialement entre la biellette 51 d'une aube 22, 25 et le support 15 63 des premiers vérins. La biellette 51 de chaque aube 22, 25 est en saillie du manchon 54 de cette aube selon une direction orthogonale à la direction longitudinale du manchon 54. Le support 63 des premiers vérins est solidaire en rotation du disque 21, pour faciliter le travail en translation des premiers vérins 64 selon la direction axiale. Les deuxièmes vérins 62 sont espacés les uns des autres autour du 20 roulement 68. Ils s'étendent chacun axialement entre la couronne extérieure 69 et le support 61 des deuxièmes vérins. La couronne extérieure 69 est située radialement en périphérie du support 63 des premiers vérins. La couronne extérieure 69 fait partie du stator, comme les deuxièmes vérins 62, pour faciliter le travail en translation des deuxièmes vérins 62 selon 25 la direction axiale. Le roulement 68 est situé entre le support 63 des premiers vérins et la couronne extérieure 69, pour permettre une rotation relative du support 63 des premiers vérins relativement à la couronne extérieure 69. Le mécanisme 60 de changement d'orientation des pales 23, 25 comporte 30 également un système d'actionnement 65 des deuxièmes vérins selon la direction axiale. 3053726 8 Les deuxièmes vérins 62 peuvent être déplacés axialement indépendamment les uns des autres. Les deuxièmes vérins 62 sont notamment configurés pour faire varier le calage de toutes les pales 23, 25 en même temps. 5 La turbomachine 2 comprend enfin un système 7 de commande de l'orientation de chacune des pales 23, 25 qui commande le mécanisme 60 de changement d'orientation des pales 23, 25. Le système de commande 7 comporte un système électronique de régulation de la turbomachine 70, une unité de commande 71 des deuxième vérins, et des 10 détecteur d'orientation 73 de chacune des pales 23, 25. Le système électronique de régulation 70 a deux voies de commande redondantes et à pleine autorité. Il est également connu sous l'acronyme de « FADEC », de l'anglais « Full Authority Electronic Digital Control ». L'unité de commande 71 des deuxièmes vérins est configuré pour 15 ordonner une modification de la position de chacun des deuxième vérins 62 au système d'actionnement 65 des deuxièmes vérins, sur ordre du système électronique de régulation 70. Le système électronique de régulation 70 et l'unité de commande 71 des deuxièmes vérins font partie d'une boucle de commande 81 de l'orientation de chacune 20 des pales 23, 25. Les détecteurs d'orientation 73 sont chacun rigidement solidaire d'une des pales 23, 25. Ils sont par exemple fixés aux manchons 54. Chaque manchon 54 est équipé d'un unique détecteur d'orientation 73. Chaque détecteur d'orientation 73 comporte un gyroscope pour 25 déterminer la position angulaire de la pale 23, 25 par rapport à sa position de référence, un inclinomètre pour mesure l'inclinaison de la pale 23, 25, notamment par rapport à l'axe de rotation 3 de la turbomachine, et un compas. Ce compas est par exemple un compas magnétique. Le détecteur d'orientation 73 est utilisé pour déterminer l'orientation de 30 la pale 23, 25 par rapport au disque 21. 3053726 9 Cependant, il peut être configuré pour détecter l'orientation de la pale 23, 25 par rapport au stator. Dans ce cas, le signal de mesure directement transmis par le détecteur d'orientation 73 est transformé en un signal d'orientation de la pale 23, 25 relativement au disque 21. 5 Dans tous les cas, le signal issu d'un des détecteurs 73 est utilisé pour déterminer l'orientation de la pale 23, 25 correspondante par rapport au disque 21. Chaque détecteurs d'orientation 73 est configuré pour transmettre le signal représentatif de l'orientation de la pale 23, 25 à laquelle il est fixé au système électronique de régulation 70. 10 Les détecteur d'orientation 73 et le système électronique de régulation 70 forment une boucle de retour 82 du système de commande 7. Le système électronique de régulation 70 est alors configuré pour commander l'orientation des pales 23, 25 en fonction de l'orientation des pales 23, 25 déterminée par les détecteurs 73. 15 Autrement dit, les signaux représentatifs de l'orientation des pales 23, 25 circulant dans la boucle retour 82 sont utilisées dans la boucle de commande 81 pour commander l'orientation de ces pales 23, 25. La boucle de commande 81 et la boucle de retour 82 forment un système de commande 7 en boucle fermée. Le procédé de commande d'au moins une des pales 23 est maintenant 2 0 illustré en référence à la figure 4. Tout d'abord, le système électronique de régulation 70, qui comprend un régulateur PID 72, PID pour « proportionnel, intégral, dérivé », donne une commande C d'orientation d'une pale 23 au mécanisme de changement d'orientation 60, selon la boucle de commande 81, pour qu'il donne à la pale 23 une orientation déterminée, c'est-à-dire 25 une traînée, un pas et un battement déterminés. Le mécanisme de changement d'orientation 60 modifie l'orientation de la pale 23 en conséquence. Le détecteur d'orientation 73 détecte alors le changement d'orientation de la pale 23 générée par le mécanisme de changement d'orientation 60. 3053726 10 Le signal représentatif d'orientation de la pale 23 est transmis au système électronique de régulation 70 qui commande l'orientation de la pale 23 en fonction de l'orientation de la pale 23 déterminée par le détecteur 73. Plus généralement, le procédé de commande d'orientation d'une des 5 pales 23 comprend une étape de détection d'orientation de la pale 23, et une étape de commande de l'orientation de la pale 23 en fonction de l'orientation de la pale 23 déterminée par le détecteur 73. La détection de l'orientation des pales 23, 25 permet de détecter tout problème d'orientation des pales 23, 25, notamment des vibrations intempestives des 10 pales 23, 25, de calage incorrect des pales 23, 25 et/ou de débattement intempestif des pales 23, 25. La détection de l'orientation des pales 23, 25 est utilisée pour commander l'orientation des pales 23, 25 par le système électronique de régulation 70 via le mécanisme 60, et/ou pour avertir un utilisateur tel qu'un pilote ou un opérateur chargé 15 d'opérations de manutention d'une orientation anormale d'au moins une des pales 23, 25. La commande de l'orientation des pales 23, 25 permet de commander leur battement, ce qui permet de réduire les risques de pompage ou de vibrations des pales. La commande de l'orientation des pales 23, 25 offre également la possibilité de commander le calage de chacune des pales 23, 25, et donc d'optimiser le rendement de la 20 soufflante 12, ce qui limite la consommation de carburant par l'avion 1. La commande de l'orientation des pales 23, 25 en boucle fermée permet de commander plus efficacement l'orientation des pales 23, 25. Les vérins 62, 64 et le système électronique de régulation 70 permettent de commander l'orientation de chacune des pales par rapport au disque 21, par rapport à 25 un système passif d'orientation des pales 23, 25. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite sans sortir du cadre de l'exposé de l'invention. 3053726 11 Le système électronique de régulation 70 peut être programmé pour commander l'orientation des pales 23, 25 en boucle fermée selon une autre méthode que la méthode PID. Le nombre de détecteurs d'orientation 73 peut être par exemple 5 inférieur au nombre de pales 23, 25. Par ailleurs, une aube 22, 24 peut être équipée de plusieurs détecteurs d'orientation 73. Les détecteurs 73 peuvent être portés par les aubes 22, 24 ailleurs que par les manchons 54, par exemple au niveau des pieds d'aube. En variante ou en plus, le mécanisme 60 de changement d'orientation des pales 23, 25 comprend un système d'actionnement des premiers vérins 64 selon la 10 direction axiale. Dans ce cas, ce système d'actionnement est destiné à être commandé directement ou indirectement par le système électronique de régulation 70. En variante encore, le support 63 des premiers vérins 64 peut être situé radialement vers l'extérieur de la couronne 69 de fixation des deuxièmes vérins 62. Le roulement 68 est de toute façon radialement entre le support 63 et la couronne 69. 15 REVENDICATIONS1. Turbomachine (2) pour aéronef (1), comprenant : un rotor (10) comprenant un arbre (11) et des aubes mobiles (22, 24) en rotation autour de l'axe de rotation (10) de l'arbre, l'arbre (11) portant un disque (21) auquel sont reliées mécaniquement les aube mobiles (22, 24), les aubes mobiles (22, 24) étant mobiles par rapport au disque (21), caractérisée en ce qu'au moins une des aubes (22) comprend une pale (23) et un détecteur d'orientation (73) configuré pour déterminer l'orientation de la pale (23) relativement au disque (21). 2. Turbomachine (2) selon la revendication précédente, comprenant en outre un système de commande (7) configuré pour commander l'orientation de la pale (23) en fonction de l'orientation de la pale (23) déterminée par le détecteur d'orientation (73). 3. Turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pale (23) est reliée mécaniquement au disque (21), en étant mobile relativement au disque (21) autour d'au moins un axe choisi parmi un axe de traînée (X-X) de la pale, un axe de pas (Y-Y) de la pale et/ou un axe de battement (Z-Z) de la pale. 4. Turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une articulation (53) et un manchon (54) qui est rigidement solidaire de la pale (23), le manchon (54) étant relié mécaniquement au disque (21) par l'articulation (53), de manière à ce que la pale (23) soit mobile en rotation par rapport au disque (21) au moins autour d'un premier axe de rotation (Y-Y) et d'un deuxième axe de rotation (Z-Z) incliné par rapport au premier axe de rotation (Y-Y). 3053726 13 5. Turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un mécanisme de changement d'orientation de pale (60) comportant : 5 au moins un premier vérin (64) dont une extrémité est rigidement solidaire de la pale (23) et dont l'autre extrémité est fixée à une première pièce (63, 68, 69) dont au moins une partie est solidaire en rotation du disque (21) de rotor, au moins trois deuxièmes vérins (62) configurés pour relier mécaniquement la première pièce (63) à une deuxième pièce (61), les deuxièmes vérins (62) étant configurés 10 pour faire varier l'inclinaison et/ou la distance de la première pièce (63) relativement à la deuxième pièce (61). 6. Turbomachine (2) selon la revendication précédente, dans laquelle la première pièce (63) comprend un roulement (68), le roulement (68) étant situé 15 radialement entre le premier vérin (64) et un des deuxièmes vérins (62). 7. Turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le détecteur (73) comprend un gyroscope, un inclinomètre et/ou un compas, de préférence un compas magnétique. 20 8. Turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, dans laquelle le système de commande (7) comprend un système électronique de régulation de la turbomachine (70), le détecteur (73) étant configuré pour transmettre au système électronique de régulation 25 (70) par télémesure un signal représentatif de détermination d'orientation de la pale (23) relativement au disque (21), de préférence par une liaison sans fil. 9. Turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le rotor (10) est un rotor de soufflante. 30 3053726 14 10. Avion (1) à décollage horizontal comprenant une turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Procédé de détermination de l'orientation d'une aube 5 mobile d'une turbomachine (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant : une étape de détermination de l'orientation de la pale (23) de l'aube par le détecteur d'orientation (73). 10 12. Procédé de commande de l'orientation de la pale (23) mettant en oeuvre le procédé de détermination selon la revendication précédente à l'aide d'une turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 combinée à la revendication 2, le procédé de commande comprenant : une étape de commande de l'orientation de la pale (23) par le système de 15 commande (7) en fonction de l'orientation déterminée par le détecteur d'orientation (73).