Brevet FR3075257A1 — publié le 20190621

DISPOSITIF DE REGLAGE DU CALAGE D'UNE HELICE DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET ART ANTERIEUR La presente invention concerne le domaine de la propulsion aéronautique. Elle vise plus particulierement un module de changement de pas des pales d'une helice entrain& par une turbomachine, notamment pour une maquette d'essais de turbomachine. Le changement de pas ou calage variable des pas de pales d'une helice de turbomachine est !'une des voies pour ameliorer les performances 10 et rendements des turbomachines dans differentes conditions de vol. II est connu d'equiper des turbomachines telles que des turbopropulseurs a helices de propulsion par exemple contrarotatives de tels systemes de changement de pas. Les turbopropulseurs se distinguent des turboreacteurs par !'utilisation d'une helice a l'exterieur de Ia nacelle 15 (non carenee) au lieu d'une soufflante interne. Le systeme de changement de pas peut egalement s'appliquer a un turbopropulseur a une helice de propulsion simple ou encore s'adapter indifferemment a plusieurs helices. Le systeme de changement de pas de chaque helice est classiquement 20 installe au cceur des parties tournantes avec par exemple un verin d'entrainement des pieds des pales pour les entrainer en rotation et modifier leur calage. Le verin annulaire comporte un cylindre monte sur une partie fixe de Ia turbomachine et un piston relie aux pieds des pales par un mecanisme de liaison. Le deplacement du piston assure le pivotement 25 angulaire souhaite des pales. Ce type d'architecture presente le defaut de devoir transformer une puissance arrivant de Ia partie fixe en un mouvement sur Ia partie tournante de Ia turbomachine. Une autre difficulte reside dans le dimensionnement et !Integration 30 des differents elements dans cette partie tournante. 2 D'autre part, le verin est soumis a d'importants efforts radiaux de la partie tournante qui impliquent des deformations du verin ainsi que des problemes d'etancheite. Ces efforts sont multiplies quand le verin est tel qu'il participe a un role structural. 5 Les difficultes de dimensionnement sont egalement dues aux contraintes d'espace limite pour agencer le systerne de changement de pas, l'agencement et requilibrage des roulements, et les passages des chalnes de commande necessaires au fonctionnement des verins de chaque helice. Ces types de systernes sont donc particulierement coOteux et 10 complexes a integrer. Dans le cadre du developpement de turbomachines, des maquettes d'essai sont classiquement developpees et utilisees pour reproduire le comportement en fonctionnement de certains elements et etudier le fonctionnement de certains sous-systernes. 15 Ces maquettes d'essais sont generalement developpees a coat recluit et simplifiees par rapport au systerne global, de maniere a etudier l'impact précis d'un nombre de parametres choisis. Les systernes classiques de reglage de calage sont donc trop complexes et onereux pour permettre leur adaptation a des maquettes 20 experimentales. PRESENTATION GENERALE DE L'INVENTION Un premier but de ('invention est de permettre un reglage du calage d'au moins une pale de turbomachine. 25 Un autre but est de permettre une adaptation et une installation aisee sur une maquette d'etude. Un autre but est de limiter le coat et la complexite du dispositif de reglage de calage. Un autre but est de limiter remission de champs electromagnetiques 30 pour limiter les interferences dans les appareils de mesure d'une maquette d'essais. 3 L'invention propose un dispositif de reglage du calage d'au moins une pale d'une soufflante, la soufflante comprenant : a. un moyeu configure pour etre entraine en rotation autour d'un axe longitudinal, 5 b. au moins une pale s'etendant radialement depuis le moyeu, ladite pale etant montee a rotation sur le moyeu autour d'un axe radial, le dispositif de reglage du calage comportant : un moteur configure pour entrainer en rotation un arbre d'entrainement, ledit arbre d'entrainement etant coaxial avec l'axe 10 longitudinal, un arbre de transmission, configure pour entrainer la pale en rotation autour de l'axe radial; et un renvoi d'angle, configure pour transmettre un couple de l'arbre d'entrainement a l'arbre de transmission. 15 De cette maniere, it est possible de regler le calage d'une pale a l'aide d'un dispositif peu onereux et facile a adapter et installer. L'invention peut etre optionnellement mais avantageusement completee par les caracteristiques suivantes, prises seules ou en 20 combinaison : - le moteur est solidaire du moyeu ; la distribution du mouvement du moteur a la plateforme est donc simplifiee ; le dispositif comprend en outre un reducteur a jeu recluit dispose 25 entre l'arbre d'entrainement et le renvoi d'angle ; un changement de sens de rotation du moteur n'entraine donc pas de temps mort dans la variation du calage ; Le dispositif comprend en outre un module de controle/commande, 30 le module de controle/commande comportant un variateur, une carte de controle/commande, un dispositif de communication ; cela permet de commander a distance la variation du calage ; 4 le module de controle/commande comporte en outre un dispositif d'acquisition configure pour mesurer la reponse du moteur ; it est donc possible de realiser un asservissement du calage en fonction d'une consigne ; 5 le dispositif de communication comporte un dispositif d'emission/reception infrarouge ; it est donc possible de de commander le reglage du calage sans transmission d'informations par cable, tout en limitant remission de champs electro- n magnetiques ; - Le dispositif comprend en outre un dispositif de stockage d'energie configure pour alimenter le moteur ; le moteur n'a donc pas besoin d'être raccorde a une alimentation externe au dispositif, simplifiant 15 la structure et ('installation du dispositif ; - le module de controle/commande et le dispositif de stockage d'energie sont positionnes de maniere a equilibrer les charges et ainsi limiter le balourd lors de la rotation du moyeu ; 20 le dispositif comprend en outre au moins une masse d'equilibrage et au moins une masselotte, la masse d'equilibrage etant fixe par rapport au moyeu et positionnee dans une zone comprise entre 5% et 50% du rayon du moyeu, la masselotte etant fixee sur le moyeu 25 et etant positionnee sur le pourtour du moyeu ; les modes propres de vibrations du moyeu sont donc deplaces des frequences de fonctionnement grace a la masse d'equilibrage, tout en limitant l'inertie par leur positionnement, et en permettant un equilibrage fin du moyeu au moyen de la masselotte ; 30 - le moteur est du type moteur electrique a frein a manque de courant et est configure pour etre bloque en position lorsqu'il n'est pas 5 alimente ; le calage est donc maintenu lorsque le moteur n'est pas alimente, ce qui limite la consommation energetique du moteur. Selon un deuxierne aspect, l'invention propose une maquette 5 experimentale comportant un chassis et une soufflante, la soufflante comprenant : o un moyeu configure pour etre entraine en rotation autour d'un axe longitudinal, o au moins une pale s'etendant radialement depuis le moyeu, ladite pale etant montee a rotation sur le moyeu autour d'un axe radial, la maquette experimentale comportant en outre un tel dispositif de reglage de calage. Le coat et la complexite de la maquette sont donc recluits tout en permettant de simuler le comportement d'une soufflante a calage variable, permettant ainsi d'etudier le comportement de soussystemes de telles soufflantes dans des conditions proches des conditions d'utilisation. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caracteristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non !imitative, et doit etre lue en regard des figures annexees sur lesquelles : - la figure 1 est un modele 3D d'une turbomachine a soufflantes non 25 carenees ; - la figure 2 est un modele 3D s'une maquette d'essais conforme a l'invention ; - la figure 3 est un modele 3D d'un dispositif de reglage de calage conforme a l'invention ; plus precisement la figure 3a est centree sur un 30 moyen de transmission de puissance d'un moteur vers une plateforme ; la figure 3b est une vue generale du dispositif de reglage de calage ; 6 - la figure 4 est un schema bloc representant le fonctionnement d'une chalne de commande d'un dispositif de reglage de calage conforme a l'invention. 5 DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN CEUVRE ET DE REALISATION L'invention s'applique a une turbomachine 1 comprenant une soufflante 2 (ou helice) non carenee, la soufflante 2 comprenant : a. un moyeu 3 configure pour etre entraine en rotation autour 10 d'une axe longitudinal X, b. au moins une pale 5 s'etendant radialement depuis le moyeu 3, ladite pale 5 etant montee a rotation sur le moyeu 3 autour d'un axe radial Y. On notera que, dans ce qui suit, les termes « soufflante » et helice 15 sont consideres comme des synonymes, l'invention s'appliquant mutatis mutandis a ces deux types d'ensembles. Une turbomachine 1 a helices non carenees, egalement designee par sa denomination anglaise d'« Open Rotor », peut presenter au moins une 20 ou deux soufflantes 2, pouvant alors etre contrarotatives. Les soufflantes 2 s'etendent selon un axe longitudinal X et presentent une pluralite de pales 5 s'etendant chacune selon un axe radial Y qui lui est propre. Le calage, c'est-à-dire ('angle de rotation d'une pale 5 autour de l'axe 25 Y selon lequel elle s'etend, est reglable en fonction des phases de vol. La pale 5 s'etend radialement a partir de la plateforme 4. La plateforme 4 est montee a rotation sur le moyeu 3. Afin de faire varier le calage des pales 5, la turbomachine 1 comporte un dispositif de reglage du calage 6 des pales 5, configure pour entrainer 30 en rotation les plateformes 4 pour modifier ou maintenir le calage des pales 5 en fonction d'une commande donnee. 7 Dans ce qui suit, l'invention sera plus particulierement decrite dans le cas ou une maquette experimentale 7, illustree en figure 2, est configuree pour simuler le comportement d'un dispositif de reglage du calage 6 d'une 5 soufflante 2 non carenee. La maquette experimentale 7 comprend une soufflante 2. On comprendra bien entendu que l'invention s'applique egalement a une maquette experimentale comportant un nombre de soufflantes different, ou a une turbomachine comportant une ou plusieurs soufflantes. 10 La maquette experimentale 7 etant configuree pour etudier et affiner le comportement de divers sous-systernes, comme par exemple le dispositif de reglage du calage 6, elle ne comporte pas necessairement de pales 5 pour realiser ces essais. Des pales 5 peuvent cependant etre assemblees sur les plateformes 4 en fonction des besoins des essais. 15 La maquette 7 comporte un basti 8 sur lequel est monte en rotation le moyeu 3. La maquette experimentale 7 comporte un moteur 9 et un volant 10 monte a rotation sur le basti 8, le moteur entrainant le volant 10 en rotation selon l'axe X. 20 Le moyeu 3 comporte un corps 11 creux globalement cylindrique s'etendant selon l'axe X, le corps 11 etant fixe au volant 10, permettant donc l'entrainement en rotation du moyeu 3 selon l'axe longitudinal X. L'invention concerne un dispositif 6 de modification du calage des 25 pales 5, le dispositif 6 comportant un moteur 12 et un moyen de transmission 13 configure pour transmettre le mouvement du moteur 12 a la plateforme 4. Le dispositif 6 de modification de calage est loge dans le corps 11 du moyeu 3, positionne preferentiellement au niveau de l'axe de rotation X du 30 moyeu 3, de maniere a eviter les problemes de balourd lorsque le moyeu 3 est entralne en rotation. 8 Dans le mode de realisation illustre en figure 3a et 3b, le moteur 12 est positionne de maniere a etre coaxial au moyeu 3. Le moteur 12 comporte un stator 14 et un arbre d'entrainement 15 (non represents). 5 L'arbre d'entrainement 15 est lie au moyen de transmission 13. Le moyen de transmission 13 comprend, dans ce mode de realisation, un reducteur a jeu recluit 16 et un ensemble de renvoi d'angle 17. Le renvoi d'angle 17 est configure pour entrainer au moins un element en rotation selon un axe radial Y a partir d'un mouvement de rotation selon 10 l'axe longitudinal X du moyeu 3. En sortie du renvoi d'angle 17, un arbre de transmission 18 s'etend radialement entre le renvoi d'angle 17 et la plateforme 4. L'arbre de transmission 18 est fixe a la plateforme 4. Le stator 14 est lie rigidement au moyeu 3 au moyen d'une armature 15 19. L'armature 19 comporte des elements radiaux 20 s'etendant entre le corps 11 du moyeu 3 et le stator 14, les elements radiaux 20 etant fixes au stator 14 et au corps 11 du moyeu 3 au moyen d'elements de fixation 21. Dans le mode de realisation illustre, ('armature 19 comporte 20 egalement des elements de guidage en rotation 22. L'arbre de transmission 18 s'etend le long de ('element radial 20, ('element radial 20 comportant des elements de guidage en rotation 22 configures pour guider en rotation l'arbre de transmission 18 et ainsi reprendre les efforts tangentiels subis par l'arbre de transmission 18. Optionnellement, le moteur 12 comporte un moteur electrique equips d'un codeur absolu, le pas de commande du moteur pouvant etre compris entre 0,01° et 0,1°. Le pas de commande de la plateforme 4 peut etre compris entre 0,05° et 0,5°. Le moteur electrique peut egalement comporter un systerne de frein 30 a manque de courant, configure pour bloquer la position de l'arbre d'entrainement 15, et donc le calage de la plateforme 4 (c'est-e-dire celui de la pale 5 quand it y en a une) lorsque le moteur n'est pas aliments. De 9 cette maniere, la consommation du dispositif de reglage du calage 6 est limitee. Le dispositif de reglage du calage 6 peut egalement comporter un dispositif de stockage d'energie 23 configure pour alimenter le moteur 12. 5 Ce dispositif de stockage d'energie 23 peut comprendre une batterie, ou un dispositif de stockage d'energie cinetique. Le dispositif de reglage de calage 6 peut egalement comporter un module de controle/commande 24 configure pour asservir le moteur 12, et donc asservir le calage de la plateforme 4 ou la pale 5. 10 Dans un mode de realisation, le module de controle/commande 24 comporte un variateur 25, une carte de controle/commande 26 et un dispositif de communication 27. Le dispositif de communication 27 est configure pour recevoir les consignes de variations de calage ernises par un dispositif de controle 29, 15 et pour transmettre les consignes regues a la carte de controle/commande 26, selon le fonctionnement schematise en figure 4. Le dispositif de controle 29 est structurellement deporte du module de controle commande 24, etant externe au moyeu 3. Optionnellement, le dispositif de communication 27 comporte un 20 dispositif d'emission/reception infrarouge, de maniere a permettre remission et la reception de donnees a haute frequence. Le cadencement de remission ou l'acquisition des donnees peut etre compris entre 500Hz et 5KHz. Ce dispositif infrarouge peut etre positionne de maniere coaxiale a 25 l'axe X de rotation du moyeu 3, de maniere a permettre remission d'un signal selon un axe fixe alors que le systerne infrarouge est solidaire d'un element mobile. Le dispositif de controle 29 peut comporter un systerne infrarouge similaire place en regard de celui du dispositif de communication 27, de 30 maniere a communiquer les consignes et recevoir des informations du module de controle/commande 24. 10 La carte de controle/commande 26 est configuree pour transmettre des commandes au variateur 25 en fonction des consignes regues du dispositif de communication 27. Le variateur 25 est configure pour moduler la puissance d'entree du 5 moteur 12 en fonction des commandes regues de la carte de controle/commande 26. Optionnellement, le module de controle/commande 24 peut comporter un dispositif d'acquisition 28, comportant un capteur de puissance et un capteur de position configures pour asservir la reponse du 10 moteur 12 en fonction de la consigne regue du dispositif de communication 27. Le module de controle/commande 24 et ses composants peuvent etre positionnes au niveau de l'axe de rotation X du moyeu 3, de maniere a eviter la prise de balourd lors de la rotation du moyeu 3. 15 Its peuvent etre fixes au stator 14, a l'armature 19 ou a un element de fixation 21 grace a une resine, de maniere a eviter tout deplacement lorsque le module de controle/commande 24 est soumis a un effet centrifuge. Le positionnement relatif du moteur 12, de l'armature 19, du dispositif 20 de stockage d'energie 23 et du module de controle/commande 24 est configure de maniere a optimiser l'equilibrage du moyeu 3, afin notamment d'eviter les vibrations et les phenomenes de balourd lors de la rotation du moyeu 3. Optionnellement, le dispositif de stockage d'energie 23 et le module 25 de controle commande 24 sont fixes l'un a l'autre, ou attaches a un merne element d'assemblage, ('element d'assemblage etant configure pour positionner le dispositif de stockage d'energie 23 et le module de controle commande 24 au niveau de l'axe de rotation X du moyeu 3. II est entendu par « au niveau de l'axe de rotation X du moyeu 3 » 30 que le centre de gravite de ('ensemble comportant le dispositif de stockage d'energie 23 et le module de controle commande 24 est positionne dans une zone comprise entre 0% et 10% du rayon du moyeu 3. 11 Optionnellement, le centre de gravite du dispositif de stockage d'energie 23 et le centre de gravite du module de controle commande 24 sont alignes et centres sur l'axe de rotation X du moyeu 3. Optionnellement, le volant 10 peut comporter des logements pour y 5 fixer des masses d'equilibrage 30, de maniere a equilibrer la maquette experimentale 7, deplacer ses modes de resonnance ou etudier le comportement d'elements supplementaires apportes au moyeu 3, notamment lorsqu'ils sont soumis a un effet centrifuge, ou lorsque la plateforme 4 est en mouvement. 10 Les masses d'equilibrage 30 peuvent etre positionnees a proximite de l'axe de rotation X du moyeu 3, par exemple dans une zone comprise entre 10% et 50% du rayon du moyeu 3, dans le but d'equilibrer la maquette 7 tout en limitant ('augmentation de I'inertie du volant 10. Les masses d'equilibrage 30 peuvent egalement etre dimensionnees 15 de maniere a deplacer les frequences des modes de resonnance de Ia maquette 7, de maniere a eviter d'exciter ces modes propres lors d'une session d'essais. Optionnellement, le moyeu 3 peut comporter des elements d'assemblage pour y fixer des masselottes 31, de maniere a equilibrer Ia 20 maquette experimentale 7. Les masselottes 31 peuvent etre positionnees sur le pourtour du moyeu 3. Par pourtour, it est entendu que les masselottes 31 sont fixees sur Ia surface cylindrique du corps 11 du moyeu 3. Les masselottes 31 peuvent presenter une masse limitee, de maniere 25 a permettre un reglage fin de l'equilibrage du moyeu 3. Optionnellement, la soufflante 2 comporte un deuxierne arbre de transmission 18, relie a une plateforme 4 sur laquelle est install& une deuxierne pale 5. Ce deuxierne arbre de transmission 18 peut ne pas etre relie a un renvoi d'angle, et peut ainsi etre positionnable a la main a l'arret. 12 Optionnellement, la maquette 7 peut comporter un ou plusieurs capteurs de vibrations configures pour declencher un arret d'urgence lorsque le signal qu'ils REVENDICATIONS1. Dispositif de reglage du calage (6) d'au moins une pale d'une soufflante (2), la soufflante (2) comprenant : a. un moyeu (3) configure pour etre entraine en rotation autour d'un axe longitudinal, b. au moins une pale (5) s'etendant radialement depuis le moyeu (3), ladite pale (5) etant montee a rotation sur le moyeu (3) autour d'un axe radial (Y), le dispositif de reglage du calage (6) comportant : un moteur (12) configure pour entrainer en rotation un arbre d'entrainement (15), ledit arbre d'entrainement etant coaxial avec l'axe longitudinal, un arbre de transmission (18), configure pour entrainer la pale (5) en rotation autour de l'axe radial (Y); et un renvoi d'angle (17), configure pour transmettre un couple de l'arbre d'entrainement (15) a l'arbre de transmission (18). 2. Dispositif de reglage du calage (6) selon la revendication 1, dans lequel le moteur (12) est solidaire du moyeu (3). 3. Dispositif de reglage du calage (6) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un reducteur a jeu recluit (16) dispose entre l'arbre d'entrainement (15) et le renvoi d'angle (17). 4. Dispositif de reglage du calage (6) selon l'une des revendications 1 a 3, comprenant en outre un module de controle/commande (24), le module de controle/commande (24) comportant un variateur (25), une carte de controle/commande (26) et un dispositif de communication (27). 14 5. Dispositif de reglage du calage (6) selon la revendication 4, dans lequel le module de controle/commande (24) comporte en outre un dispositif d'acquisition (28) configure pour mesurer la reponse du moteur (12). 5 6. Dispositif de reglage du calage (6) selon I'une des revendications 4 ou 5, dans lequel le dispositif de communication (27) comporte un dispositif d'emission/reception infrarouge. 10 7. Dispositif de reglage du calage (6) selon I'une des revendications 1 a 6, comprenant en outre un dispositif de stockage d'energie (23) configure pour alimenter le moteur (12). 8. Dispositif de reglage du calage (6) selon la revendication 7 prise en 15 combinaison avec I'une quelconque des revendications 4 a 6, dans lequel le module de controle/commande (24) et le dispositif de stockage d'energie (23) sont positionnes de maniere a equilibrer les charges et ainsi limiter le balourd lors de la rotation du moyeu (3). 20 9. Dispositif de reglage du calage (6) selon I'une des revendications 1 a 8, comprenant en outre au moins une masse d'equilibrage (30) et/ou au moins une masselotte (31), la masse d'equilibrage (30) etant fixe par rapport au moyeu (3) et positionnee dans une zone comprise entre 5% et 50% du rayon du moyeu (3), la masselotte (31) etant 25 fixee sur le moyeu (3) et etant positionnée sur le pourtour du moyeu (3). 10.Dispositif de reglage du calage (6) selon I'une des revendications 1 a 9, dans lequel le moteur est du type moteur electrique a frein a 30 manque de courant et est configure pour etre bloque en position lorsqu'il n'est pas alimente. 15 11.Maquette experimentale comportant un chassis et une soufflante (2), la soufflante (2) comprenant a. un moyeu (3) configure pour etre entraine en rotation autour d'un axe longitudinal, 5 b. au moins une pale (5) s'etendant radialement depuis le moyeu, ladite pale etant montee a rotation sur le moyeu (3) autour d'un axe radial (Y), la maquette experimentale comportant en outre un dispositif de reglage de calage (6) selon l'une des revendications 1 a 10. 10