Brevet FR3100563A1 — publié le 20210312

La présente invention concerne un moyeu de turbomachine, destiné à être monté en rotation selon un axe longitudinal (X) de ladite turbomachine, ledit moyeu comprenant un corps principal (1) disposé autour de l’axe longitudinal (X), dont une surface externe présente une pluralité de logements ; une pluralité de plateformes (3) comprenant une surface externe délimitée par un bord extérieur circulaire de rayon r, chaque plateforme (3) étant disposée dans un logement correspondant parmi la pluralité de logements du corps principal (1), et destinée à recevoir une pale à calage variable (2) selon un axe de changement de calage (Z), ladite plateforme (3) étant centrée et mobile en rotation selon ledit axe de changement de calage (Z) ; caractérisé en ce, pour chaque plateforme, au moins une partie de la surface externe de la plateforme (3) et du corps principal (1) du moyeu comprend une courbure définie par une même portion de sphère de rayon R et de centre C, l’au moins une partie étant située au niveau du bord extérieur de la plateforme (3), dans une zone de jonction entre la plateforme (3) et le corps principal du moyeu (1), le centre C de la sphère étant situé sur l’axe de changement de calage (Z) en dehors d’une zone hémisphérique délimitée entre l’axe longitudinal (X) et la surface externe de la plateforme (3). Figure pour l’abrégé : Fig. 5 Moyeu polysphérique de turbomachine pour pales à calage variable La présente invention concerne le domaine des systèmes de propulsion pour aéronefs, notamment des turbomachines, et plus particulièrement l’amélioration du rendement propulsif de tels systèmes de propulsion. Afin de réduire des émissions polluantes liées au transport aérien, il est primordial de chercher à améliorer toutes les efficacités des systèmes de propulsion des aéronefs, et plus particulièrement le rendement propulsif des systèmes de propulsion, c’est-à-dire l’efficacité avec laquelle l’énergie qui est communiquée à l’air traversant le moteur est convertie en effort de poussée utile pour propulser l’aéronef. Le rendement propulsif d’un système de propulsion dépend en premier lieu d’éléments mécaniques liés aux parties basse pression du système propulsif, qui contribuent de manière immédiate à la génération de la poussée. Dans le cadre d’une turbomachine à double flux par exemple, le rendement propulsif dépend notamment de la turbine basse pression (aussi appelée turbine BP), du système de transmission basse pression, de la soufflante (en anglais « fan ») et de la veine secondaire guidant l’écoulement de l’air passant par la soufflante. Afin d’améliorer le rendement propulsif, une solution connue consiste à chercher à diminuer le taux de compression de la soufflante, diminuant par là-même la vitesse d’écoulement en sortie du moteur et les pertes par énergie cinétique qui lui sont liées. Cependant, cela induit des variations de forte amplitude dans des paramètres de cycle thermodynamique de la turbomachine, entre les conditions de sol et de vol, en particulier en ce qui concerne les températures de fonctionnement turbine haute pression (aussi appelée turbine HP) et les taux de détente des tuyères primaire et secondaire. Afin de compenser ces variations et de garantir un rendement propulsif important en vol et suffisant au sol, il est nécessaire d’utiliser un système de changement de calage pour les pales de la soufflante. De plus, une diminution de vitesse d’écoulement en sortie de la turbomachine a pour conséquence que la partie basse pression doit nécessairement traiter un débit massique d’air du flux secondaire plus important pour assurer un même niveau de poussée, fixé par les caractéristiques de l’aéronef. Ceci conduit donc à une augmentation du taux de dilution de la turbomachine, et à une augmentation de débit du flux secondaire, qui a pour effet direct de nécessiter l’augmentation du diamètre de la soufflante. Par conséquent, cette solution nécessite d’augmenter les dimensions externes du carter de rétention entourant la soufflante et d’augmenter les dimensions de la nacelle constituant l’enveloppe aérodynamique du carter en question. Outre les aspects dimensionnels, l’augmentation du taux de dilution pénalise fortement la masse du système de propulsion, via notamment une augmentation très significative de la masse du carter de soufflante, dimensionné pour la rétention centrifuge en cas d’éjection d’aubage. Il est ainsi constaté que les taux de dilution les plus élevés, bien que conduisant à de meilleurs rendements propulsifs, s’accompagnent de pénalités de masse, de traînée et de difficultés d’installation sous aile importantes, de sorte que la majeure partie du gain espéré est éclipsée par ces éléments fortement pénalisants. Afin de tenter de minimiser les effets négatifs, une première solution consiste à simplifier et alléger la structure du carénage et de la nacelle. Il s’agit par exemple de ne lui conférer plus qu’une fonction de frontière aérodynamique autour de la soufflante en supprimant la fonction de réalisation d’inversion de poussée (en anglais fonction « reverse »), réalisée par des portes ou des grilles d’inversion de poussée au niveau du carénage entourant la soufflante, et en raccourcissant fortement l’entrée d’air, c’est-à-dire la partie réalisant la fonction de guidage de l’écoulement en amont de la soufflante, et la tuyère secondaire qui réalise la fonction de contrôle du champ de pression en aval de la soufflante (tuyère secondaire). La première solution propose une architecture de turbomachine comprenant une soufflante à très faible rapport de pression, un système de changement de calage pour les pales et une nacelle de longueur fortement réduite présentant une entrée d’air et une tuyère secondaire de longueur réduite et n’intégrant plus de grilles d’inversion de poussée. L’introduction d’un mécanisme de changement de calage pour les pales permet un pilotage du point de fonctionnement de la soufflante selon les conditions de vol. Plusieurs problématiques peuvent toutefois apparaitre lorsque l’on prévoit un calage variable pour les pales de la soufflante. Une découpe classique de tête de pale, complémentaire d’une veine cylindrique ou tronconique entraîne, entre la tête de pale et le carénage, des jeux très importants, qui sont nécessaires pour permettre la variation de calage sans contact, mais qui entraînent une perte de rendement non négligeable, en réduisant notamment la qualité de l’écoulement aérodynamique sur la pale. De même, un jeu peut être nécessaire au niveau du pied de pale pour permettre une rotation de la pale. Ces pertes de rendement ne sont pas acceptables, en particulier dans le cas de turbomachine à rotor de soufflante lent et à très faible rapport de pression. Par ailleurs, habituellement, dans une turbomachine, une surface du moyeu en rotation sur laquelle sont fixées les pales décrit un arc de cercle, de sorte que lorsque le calage est modifié, une discontinuité importante peut se former, sous forme d’une marche. Cette marche est également source de perte de rendement. Une deuxième solution permettant d’atteindre des taux de dilutions encore plus importants, est de retirer complètement le carter et d’utiliser des configurations à hélices. Des architectures propulsives ainsi constituées portent le nom de turbopropulseur (cas d’un rotor basse pression unique non caréné, qualifié d’hélice), ou de « open rotor » selon la terminologie anglosaxonne couramment utilisée (cas de deux rotors basse pression contrarotatifs, qualifiés d’hélices contrarotatives). Cette architecture alternative, si elle permet de s’affranchir des contraintes de masse et de traînée de frottement du carénage de la partie secondaire désormais inexistant, pose toutefois d’autres problèmes. L’absence de carénage autour de la partie basse pression rend le fonctionnement aérodynamique du rotor très sensible aux variations de conditions de vol (en particulier de vitesse), et limite la vitesse de vol maximale admissible par l’avion. Afin de pouvoir faire fonctionner l’hélice à son maximum de rendement quelques soient les conditions, la deuxième solution propose une architecture comprenant une hélice à calage variable à régime lent, et une absence de carter. L’utilisation de pales à calage variable, pourtant nécessaire, ajoute une difficulté technique à la deuxième architecture proposée, car, comme expliqué précédemment, l’utilisation de calage variable rend difficile la gestion des marches et jeux entre chaque pale et le moyeu en rotation, lorsque le calage de la pale varie. Cela est notamment le cas sur les architectures d’hélice (ou de fan à calage variable) à l’amont suivies par une entrée d’air pour laquelle l’écoulement doit être le moins distordu possible. Cette problématique de distorsion peut être à considérer aussi dans le cadre d’une soufflante à calage variable dans un moteur double flux dont le flux secondaire est guidé dans un carter. Un but de l’invention est de remédier au moins en partie aux inconvénients précités en proposant un moyeu de turbomachine comprenant une pluralité de plateformes destinées à recevoir des pales à calage variable, supprimant les marches et les jeux lors d’une rotation du calage entre un pied de pale et un moyeu sur lequel la pale est fixée, en garantissant les performances d’écoulement aérodynamique au niveau du moyeu. Les plateformes sont destinées à recevoir des pales à calage variable par exemple en étant traversées par lesdites pales par exemple via une trouée centrale dans lequel passe un tronçon de pied de pale. Chaque plateforme peut dans ce cas comprendre au moins une pièce qui est distincte de sa pale correspondante et qui est installée autour de ladite pale. On parle alors de plateforme dite « rapportée ». En alternative, chaque plateforme peut être une extension du pied de la pale correspondante, c’est-à-dire que la plateforme et la pale associée sont réalisées d’un seul tenant. On parle alors de plateforme dite « intégrée ». Ainsi, l’invention concerne, selon un premier aspect, un moyeu de turbomachine, destiné à être monté en rotation selon un axe longitudinal de ladite turbomachine, ledit moyeu comprenant un corps principal disposé autour de l’axe longitudinal, dont une surface externe présente une pluralité de logements ; une pluralité de plateformes comprenant une surface externe délimitée par un bord extérieur circulaire de rayon r, chaque plateforme étant disposée dans un logement correspondant parmi la pluralité de logements du corps principal, et destinée à recevoir une pale à calage variable selon un axe de changement de calage, ladite plateforme étant centrée et mobile en rotation selon ledit axe de changement de calage ; caractérisé en ce, pour chaque plateforme, au moins une partie de la surface externe de la plateforme et du corps principal du moyeu comprend une courbure définie par une même portion de sphère de rayon R et de centre C, l’au moins une partie étant située au niveau du bord extérieur de la plateforme, dans une zone de jonction entre la plateforme et le corps principal du moyeu, le centre C de la sphère étant situé sur l’axe de changement de calage en dehors d’une zone hémisphérique délimitée entre l’axe longitudinal et la surface externe de la plateforme. L’invention selon le premier aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la surface externe de la plateforme est entièrement définie par la portion de sphère de rayon R et de centre C ; - la zone de jonction est définie par une projection de la zone de jonction dans un plan orthogonal à l’axe de changement de calage, la projection étant une couronne centrée sur l’axe de changement de calage et délimitée entre un cercle de rayon interne ri inférieur au rayon r du bord extérieur de la plateforme, et un cercle de rayon externe re supérieur au rayon r du bord extérieur de la plateforme ; - la surface externe de chaque plateforme comprend une partie centrale présentant une courbure opposée à la courbure de la surface externe dans la zone de jonction, une projection de la partie centrale dans le plan orthogonal à l’axe de changement de calage étant délimitée par le cercle de rayon interne ri ; - le centre C de la sphère définissant la surface externe de chaque plateforme est situé à l’intersection de l’axe de changement de calage et de l’axe longitudinal ; - le corps principal du moyeu comprend une pluralité de zones intermédiaires situées entre deux zones de jonctions avec des plateformes adjacentes, chaque zone intermédiaire ayant une surface externe présentant une courbure opposée à la courbure de la surface externe du corps principal dans la zone de jonction ; L’invention concerne selon un deuxième aspect, un ensemble de turbomachine comprenant un moyeu selon le premier aspect de l’invention et une pluralité de pales à calage variable configurées pour être raccordées au corps principal du moyeu par l’intermédiaire de la pluralité de plateformes ; L’invention selon le deuxième aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - chaque plateforme de la pluralité de plateformes est réalisée d’une pièce avec la pale correspondante parmi la pluralité de pales ; - chaque plateforme comprend au moins deux pièces distinctes, destinées à entourer une partie de pied de la pale correspondante ; - la surface externe de chaque plateforme est complémentaire de la forme de la pale correspondante, de sorte que la plateforme est en contact avec la pale du bord d’attaque de la pale au bord de fuite de la pale, et soit également en contact avec l’extrados et l’intrados de la pale. L’invention concerne selon un troisième aspect une turbomachine à soufflante carénée ou non carénée, comprenant un ensemble selon le deuxième aspect de l’invention. D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La figure 1 illustre de façon schématique une vue en coupe d’une turbomachine à soufflante carénée. La figure 2 illustre de façon schématique une vue de face et tourné selon 90 d’un ensemble de turbomachine comprenant un moyeu selon un exemple de réalisation. La figure 3A illustre de façon schématique une vue de côté d’une pale à calage variable raccordée à un moyeu par une plateforme selon un premier exemple de réalisation. La figure 3B illustre de façon schématique une vue de côté d’une pale à calage variable raccordée à un moyeu par une plateforme selon un deuxième exemple de réalisation. La figure 3C illustre de façon schématique une vue de côté d’une pale à calage variable raccordée à un moyeu par une plateforme selon un troisième exemple de réalisation. La figure 4 illustre de façon schématique une vue de dessus d’une pale à calage variable raccordée à un moyeu par une plateforme. La figure 5 illustre de façon schématique une vue de côté d’une pale à calage variable raccordée à un moyeu polysphérique par une plateforme. La figure 6A illustre de façon schématique une vue de face d’un ensemble de turbomachine comprenant un moyeu polysphérique et une pluralité de pales à calage variable selon un premier exemple de réalisation. La figure 6B illustre de façon schématique une vue de face d’un ensemble de turbomachine comprenant un moyeu polysphérique et une pluralité de pales à calage variable selon un deuxième exemple de réalisation. La figure 7 illustre de façon schématique une vue de dessus de la pale à calage variable de la figure 4, dans deux positions de calage différentes. La figure 8 illustre de façon schématique une vue de côté et une vue de dessus de la pale à calage variable raccordée au moyeu polysphérique de la figure 5. La figure 9 illustre de façon schématique une vue de côté de la pale à calage variable raccordée au moyeu polysphérique dans un autre exemple de réalisation. Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. Moyeu de turbomachine, destiné à être monté en rotation selon un axe longitudinal (X) de ladite turbomachine (10), ledit moyeu comprenant un corps principal (1) disposé autour de l’axe longitudinal (X), dont une surface externe présente une pluralité de logements ; une pluralité de plateformes (3) comprenant une surface externe délimitée par un bord extérieur circulaire de rayon r, chaque plateforme (3) étant disposée dans un logement correspondant parmi la pluralité de logements du corps principal (1), et destinée à recevoir une pale à calage variable (2) selon un axe de changement de calage (Z), ladite plateforme (3) étant centrée et mobile en rotation selon ledit axe de changement de calage (Z) ; caractérisé en ce, pour chaque plateforme, au moins une partie de la surface externe de la plateforme (3) et du corps principal (1) du moyeu comprend une courbure définie par une même portion de sphère de rayon R et de centre C, l’au moins une partie étant située au niveau du bord extérieur de la plateforme (3), dans une zone de jonction entre la plateforme (3) et le corps principal du moyeu (1), le centre C de la sphère étant situé sur l’axe de changement de calage (Z) en dehors d’une zone hémisphérique délimitée entre l’axe longitudinal (X) et la surface externe de la plateforme (3). Moyeu de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel la surface externe de la plateforme (3) est entièrement définie par la portion de sphère de rayon R et de centre C. Moyeu de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel la zone de jonction est définie par une projection de la zone de jonction dans un plan orthogonal à l’axe de changement de calage (Z), la projection étant une couronne centrée sur l’axe de changement de calage (Z) et délimitée entre un cercle de rayon interne ri inférieur au rayon r du bord extérieur de la plateforme (3), et un cercle de rayon externe re supérieur au rayon r du bord extérieur de la plateforme (3). Moyeu de turbomachine selon la revendication 3, dans lequel la surface externe de chaque plateforme (3) comprend une partie centrale présentant une courbure opposée à la courbure de la surface externe dans la zone de jonction, une projection de la partie centrale dans le plan orthogonal à l’axe de changement de calage (Z) étant délimitée par le cercle de rayon interne ri. Moyeu de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le centre C de la sphère définissant la surface externe de chaque plateforme (3) est situé à l’intersection de l’axe de changement de calage (Z) et de l’axe longitudinal (X). Moyeu de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le corps principal du moyeu (1) comprend une pluralité de zones intermédiaires situées entre deux zones de jonctions avec des plateformes (3) adjacentes, chaque zone intermédiaire ayant une surface externe présentant une courbure opposée à la courbure de la surface externe du corps principal (1) dans la zone de jonction. Ensemble de turbomachine comprenant un moyeu selon l’une quelconque des revendications précédentes et une pluralité de pales (2) à calage variable configurées pour être raccordées au corps principal du moyeu (1) par l’intermédiaire de la pluralité de plateformes (3). Ensemble selon la revendication 7, dans lequel chaque plateforme (3) de la pluralité de plateformes (3) est réalisée d’une pièce avec la pale (2) correspondante parmi la pluralité de pales (2). Ensemble selon la revendication 7 dans lequel chaque plateforme (3) comprend au moins deux pièces distinctes, destinées à entourer une partie de pied de la pale (2) correspondante. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la surface externe de chaque plateforme (3) est complémentaire de la forme de la pale (2) correspondante, de sorte que la plateforme (3) est en contact avec la pale (2) du bord d’attaque de la pale au bord de fuite de la pale (2), et soit également en contact avec l’extrados et l’intrados de la pale (2). Turbomachine à soufflante carénée (10) ou non carénée, comprenant un ensemble selon l’une quelconque des revendications 7 à 10.