Brevet FR3101664A1 — publié le 20210409

L’invention décrit un système de commande de calage cyclique de pales (1) d’une hélice d’une turbomachine, les pales (1) étant disposées dans un plan normal à l’axe de rotation (r) de l’hélice, le système comprenant : - un ensemble de plateau (40) inclinable par rapport au plan normal (P), - un système d’articulation (50) articulant l’ensemble de plateau (40) par rapport aux pales (1) de sorte qu’une inclinaison de l’ensemble de plateau (40) entraine une modification du calage des pales (1), - un capteur d’efforts (5) adapté pour mesurer un effort exercé dans le plan normal (P) par un flux d’air en entrée des pales (1) de l’hélice, - un vérin (60) adapté pour incliner l’ensemble de plateau (40) en réponse à un effort mesuré par le capteur d’efforts (5). Figure pour l’abrégé : Fig. 6 Système de commande de calage cyclique de pales La présente invention concerne le domaine des systèmes de commande de calage cyclique de pales pour une hélice de turbomachine. Le flux d’air en entrée des pales d’une hélice d’une turbomachine d’un aéronef peut présenter une incidence par rapport à l’axe de rotation des pales, qui correspond à l’axe longitudinal de la turbomachine. Les pales des hélices ou des fans de turbomachines sont alors soumises à une distribution de flux d’air qui n’est pas homogène au cours de leur rotation autour de l’axe longitudinal. Cette incidence peut résulter de phases prédictibles, telles que des phases d’incidence ou des phases de manœuvres, lors de montées, descentes ou virages qui peuvent entraîner un dérapage de l’aéronef. Cette incidence peut également résulter de phases non prédictibles, telles que des phases de vent de travers. La figure 1a illustre par exemple un avion en phase de croisière à altitude stabilisée, le flux d’air F en entrée des pales 1 de l’hélice étant dirigé dans la direction longitudinale correspondant à l’axe de rotation r de l’hélice. La figure 1b représente un avion en phase de montée, le flux d’air F comprenant une composante longitudinale dirigée selon l’axe de rotation de l’hélice et une composante transversale dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation r de l’hélice. Cette incidence, correspondant à une distribution non homogène de flux d’air sur les pales, entraîne une dissymétrie de la portance et de la traînée des pales, ce qui engendre une poussée dissymétrique des pales. La poussée comprend alors une composante longitudinale, mais également une composante transversale correspondant à des efforts parasites latéraux et verticaux, c’est-à-dire dirigés dans un plan normal perpendiculaire à l’axe longitudinal. Outre la perte de poussée occasionnée, ces efforts parasites engendrent des moments parasites, appelés « moment 1P » dans le milieu aéronautique, appliqués sur les pales. Le moment 1P est dimensionnant pour la masse de la structure des pales de la turbomachine et de l’ensemble des pièces assurant la fixation de l’hélice à l’aéronef. En effet, la masse de ces pièces est dimensionnée de sorte à assurer leur résistance au moment 1P : une augmentation du moment 1P entraîne donc une augmentation de la masse de ces pièces. Par ailleurs, un moment 1P important est susceptible d’augmenter l’usure et ainsi de réduire la durée de vie de l’hélice et des pièces assurant la fixation du moteur sur l’aéronef, ce qui oblige à effectuer davantage d’opérations de maintenance et de renouvellement des pièces. Le moment 1P dû à un flux d’air non homogène a un impact pour les architectures carénées telles que les turbofans, malgré un certain redressement du flux par la nacelle. Ce phénomène est notamment présent pour les turbofans à fort taux de dilution, qui présentent donc un très grand diamètre d’hélice de soufflante. Un turbofan caréné est par exemple illustré en figure 2a. Le moment 1P est particulièrement dimensionnant pour les architectures non carénées, par exemple les turbopropulseurs, ou les open rotors qui permettent une augmentation du taux de dilution par rapport aux turbofans classiques. Un open rotor est illustré à titre d’exemple en figure 2b. Pour ces architectures non carénées, le moment 1P est très dimensionnant pour la structure de l’hélice ainsi que pour l’optimisation de son fonctionnement. Le moment 1P est également dimensionnant pour les moteurs enterrés, une dissymétrie étant susceptible d’apparaître entre la partie masquée et la partie libre de l’hélice. Le calage des pales de l’hélice peut être réglé de sorte à réduire le moment 1P en redirigeant la poussée dans la direction longitudinale. Le calage d’une pale correspond à l’angle formé entre d’une part un axe reliant le bord d’attaque au bord de fuite de la pale, et d’autre part l’axe de rotation de l’hélice. On connaît des systèmes de commande du calage collectif de pale, capables de modifier le calage de l’ensemble des pales de manière identique. Les pales présentent alors toutes le même calage. Notamment, un vérin peut entraîner un déplacement longitudinal d’un disque articulé par rapport aux pales par le biais de bielles, le déplacement longitudinal du disque entraînant une modification collective du calage des pales. Néanmoins, ces systèmes ne permettent pas de réduire le moment 1P résultant d’une distribution non homogène du flux d’air sur les pales. Ces systèmes sont donc adaptés aux phases de vol à altitude stabilisée sans vent de travers, mais non aux phases de manœuvre, d’incidence ou de vent de travers. Des systèmes de commande du calage cyclique des pales son également connus de l’art antérieur. Ces systèmes sont capables d’imposer à chaque pale un calage qui varie de manière cyclique en fonction de sa position angulaire lors de sa rotation autour de l’axe de rotation, chaque pale ayant un calage qui lui est propre. Le calage est adapté pour contrer le moment 1P pour produire une poussée longitudinale en optimisant le calage de la pale à l’écoulement entrant. De tels systèmes existent en particulier dans le domaine des hélicoptères. Néanmoins, ces systèmes ne sont pas adaptés aux contraintes, aux besoins et aux architectures rencontrées dans d’autres aéronefs, tels que les avions. Un système de commande du calage cyclique des pales d’une hélice est décrit dans le document FR 2 996 591. Les pales sont fixées sur deux disques montés en rotation avec le moyeu de l’hélice. Quatre vérins permettent d’incliner l’un des disques par rapport à l’autre, ce qui entraîne un calage cyclique des pales. Néanmoins, les pales sont directement fixées aux deux disques au niveau de points d’accrochage, et les deux disques sont solidaires en rotation de l’hélice, ce qui contraint fortement le positionnement du dispositif. Par ailleurs, le système de commande décrit ne permet pas de régulation active du calage cyclique des pales en fonction des efforts rencontrés par l’avion au cours du vol. Un système d’adaptation passive du calage cyclique des pales d’une hélice non carénée est décrit dans la demande de brevet français n°17552851. Dans ce système, des bielles sont fixées d’une part aux pales et d’autre part à un disque inclinable. Un flux d’air non longitudinal crée sur les pales une force tendant à modifier leur calage, les bielles appliquant à leur tour une force sur le disque qui tend à modifier l’inclinaison du disque jusqu’à une position où les efforts dans le plan normal s’annulent. Néanmoins, ce système ne permet pas de commande active du calage cyclique des pales et ne permet pas non plus d’adapter la sensibilité de la modification du calage des pales en fonction des efforts dans le plan normal. Enfin, un système de commande du calage cyclique des pales d’une hélice non carénée est décrit dans le document FR 2 997 138. Au moins trois vérins modifient l’inclinaison d’une pièce qui est articulée par rapport aux pales, de sorte que le déplacement des vérins engendre une modification cyclique du calage des pales. Le calage des pales est déterminé par des simulations préalables de sorte à réduire les pertes causées par des obstacles, tels qu’une aile ou un fuselage, ces obstacles étant connus à l’avance. Néanmoins, ce système nécessite la connaissance et la simulation préalables des inhomogénéités de flux, et ne permet pas une adaptation en temps réel du calage des pales en fonction des phases rencontrées par l’avion au cours du vol et de l’évolution des inhomogénéités de flux. Un but de l’invention est de proposer un système de commande de calage cyclique des pales permettant de réduire les efforts et moments parasites engendrés sur les pales du fait d’une distribution non homogène du flux d’air sur les pales. Un autre but de l’invention est de proposer un système de de commande de calage cyclique des pales adapté pour être implémenté sur une hélice carénée ou sur une hélice non carénée d’une turbomachine. Un autre but de l’invention est de proposer un système de de commande de calage cyclique des pales qui permette d’ajuster le calage des pales en temps réel au cours du vol. Selon un premier aspect, l’invention concerne un système de commande de calage cyclique des pales d’une hélice d’une turbomachine, l’hélice comprenant un ensemble de pales mobiles en rotation autour d’un axe de rotation par rapport à un repère stator de la turbomachine, les pales étant disposées dans un plan normal à l’axe de rotation de l’hélice, appelé plan normal, le système étant caractérisé en ce qu’il comprend : - un ensemble de plateau inclinable par rapport au plan normal, - un système d’articulation articulant l’ensemble de plateau par rapport aux pales de sorte qu’une inclinaison de l’ensemble de plateau entraine une modification cyclique du calage des pales, et en ce qu’il comprend : - un capteur d’efforts monté fixe dans le repère stator, le capteur d’efforts étant adapté pour mesurer un effort exercé dans le plan normal par un flux d’air en entrée des pales de l’hélice, - un vérin adapté pour incliner l’ensemble de plateau, le vérin étant adapté pour être actionné en réponse à un effort mesuré par le capteur d’efforts. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du système de commande de calage cyclique décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - le capteur d’efforts comprend une jauge de contrainte et est adapté pour être positionné au niveau d’un support palier d’un carter intermédiaire de la turbomachine ; - le système comprend un premier jeu de capteurs d’efforts adapté pour mesurer un effort dans une première direction du plan normal et un deuxième jeu de capteurs d’efforts adapté pour mesurer un effort dans une deuxième direction du plan normal, la deuxième direction étant perpendiculaire à la première direction, le système comprenant en outre un premier vérin adapté pour être actionné en réponse à un effort mesuré par le premier jeu de capteurs d’efforts, et un deuxième vérin adapté pour être actionné en réponse à un effort mesuré par le deuxième jeu de capteurs d’efforts ; - l’ensemble de plateau comprend un plateau interne monté fixe dans le repère stator et un plateau externe monté mobile en rotation autour de l’axe de rotation de l’hélice, le plateau interne et le plateau externe étant séparés l’un de l’autre par le biais d’un palier à roulement de sorte que le plateau interne et le plateau externe sont indépendants en rotation autour de l’axe de rotation et sont solidaires en inclinaison par rapport au plan normal, dans lequel le vérin est actionné de sorte à modifier l’inclinaison du plateau interne, et le système d’articulation articule le plateau externe par rapport aux pales ; - le système comprend en outre une rotule comprenant une surface externe bombée, l’ensemble de plateau comprend une surface interne de forme complémentaire de la surface externe de la rotule et positionnée au contact de la surface externe de la rotule, de sorte que la surface externe de la rotule guide un déplacement en inclinaison de l’ensemble de plateau ; - le système d’articulation comporte un ensemble de bielles, chaque bielle étant articulée en une première extrémité sur une pale associée par le biais d’une liaison pivot, et en une deuxième extrémité sur l’ensemble de plateau, les bielles étant montées mobiles en rotation autour de l’axe de rotation de l’hélice, de sorte qu’une inclinaison de l’ensemble de plateau entraîne un déplacement correspondant des bielles propre à modifier de manière cyclique le calage des pales ; - le système comprend en outre une unité de commande adaptée pour générer un signal de commande du calage des pales à partir d’une comparaison entre un signal de mesure issu du capteur d’efforts et un signal de consigne prédéterminé, le signal de commande étant adapté pour actionner le vérin lorsque le signal de mesure diffère du signal de consigne Scons d’une différence prédéterminée pendant une durée prédéterminée ; - le système comprend en outre un système de commande du calage collectif des pales configuré pour déplacer l’ensemble de plateau en translation selon la direction longitudinale tout en conservant une même inclinaison de l’ensemble de plateau, de sorte à modifier le calage de chacune des pales de manière identique, le calage collectif des pales étant indépendant d’un calage cyclique des pales ; Selon un deuxième aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant un système de commande de calage cyclique des pales d’une hélice selon le premier aspect. Selon un troisième aspect, l’invention concerne un aéronef comprenant un système de commande de calage cyclique des pales d’une hélice de turbomachine selon le premier aspect. D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donnée à titre d’exemple non limitatif, qui sera illustrée par les figures suivantes : La figure 1a, déjà commentée, représente une vue schématique d’un aéronef lors d’une phase de vol stabilisé, le flux d’air en entrée des pales de l’hélice présentant une composante longitudinale. La figure 1b, déjà commentée, représente une vue schématique d’un aéronef lors d’une phase de montée, le flux d’air en entrée des pales de l’hélice présentant une composante longitudinale et une composante transversale. Les figures 2a et 2b, déjà commentées, représentent des vues schématiques d’une hélice respectivement d’un open rotor et d’un turbofan caréné. La figure 3a représente une vue schématique en perspective d’un support palier d’un système de commande de calage cyclique de pales selon un mode de réalisation de l’invention. Les figures 3b et 3c représentent des vues schématiques, respectivement partielle en perspective et de face, d’un système de commande de calage cyclique de pales selon un mode de réalisation de l’invention. Les figures 4a et 4b représentent des vues schématiques, respectivement de côté et de face, d’un système de commande de calage cyclique de pales conforme à un mode de réalisation de l’invention, l’ensemble de plateau étant non incliné. Les figure 5a et 5b représentent des vues schématiques, respectivement de côté et de face, d’un système de commande de calage cyclique de pales conforme à un mode de réalisation de l’invention, l’ensemble de plateau étant incliné. La figure 5c représente un diagramme illustrant une variation cyclique du calage d’une pale de l’ensemble illustré en figures 5a et 5b lors d’une rotation complète de l’hélice. Les figures 6 et 7 représentent des vues schématiques de côté respectivement pour un premier et un second azimut du moteur d’un système de commande de calage cyclique de pales conforme à un mode de réalisation de l’invention. La figure 8 représente un schéma illustrant l’expression d’un effort dans le plan normal, pour des systèmes de commande de calage cyclique de pales comprenant deux ou trois vérins, et conformes à un mode de réalisation de l’invention. La figure 9 représente un schéma illustrant des vérins et un plateau d’un système de commande de calage cyclique de pales conforme à un mode de réalisation de l’invention. La figure 10 représente un diagramme illustrant la génération d’un signal de commande d’un système de commande de calage cyclique de pales conforme à un mode de réalisation de l’invention. Système de commande de calage cyclique de pales (1) d’une hélice d’une turbomachine, l’hélice comprenant un ensemble de pales (1) mobiles en rotation autour d’un axe de rotation (r) par rapport à un repère stator de la turbomachine, les pales (1) étant disposées dans un plan normal à l’axe de rotation (r) de l’hélice, appelé plan normal (P), le système étant caractérisé en ce qu’il comprend : - un ensemble de plateau (40) inclinable par rapport au plan normal (P), - un système d’articulation (50) articulant l’ensemble de plateau (40) par rapport aux pales (1) de sorte qu’une inclinaison de l’ensemble de plateau (40) entraine une modification cyclique du calage des pales (1), et en ce qu’il comprend : - un capteur d’efforts (5) monté fixe dans le repère stator, le capteur d’efforts (5) étant adapté pour mesurer un effort exercé dans le plan normal (P) par un flux d’air en entrée des pales (1) de l’hélice, - un vérin (60) adapté pour incliner l’ensemble de plateau (40), le vérin (60) étant adapté pour être actionné en réponse à un effort mesuré par le capteur d’efforts (5). Système de commande de calage cyclique de pales (1) selon la revendication 1, dans lequel le capteur d’efforts (5) comprend une jauge de contrainte et est adapté pour être positionné au niveau d’un support palier (20) d’un carter intermédiaire de la turbomachine. Système de commande de calage cyclique de pales (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant un premier jeu de capteurs d’efforts (501) adapté pour mesurer un effort dans une première direction du plan normal (P) et un deuxième jeu de capteurs d’efforts (502) adapté pour mesurer un effort dans une deuxième direction du plan normal (P), la deuxième direction étant perpendiculaire à la première direction, le système comprenant en outre un premier vérin (60) adapté pour être actionné en réponse à un effort mesuré par le premier jeu de capteurs d’efforts (501), et un deuxième vérin (60) adapté pour être actionné en réponse à un effort mesuré par le deuxième jeu de capteurs d’efforts (502). Système de commande de calage cyclique de pales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’ensemble de plateau (40) comprend un plateau interne (41) monté fixe dans le repère stator et un plateau externe (42) monté mobile en rotation autour de l’axe de rotation (r) de l’hélice, le plateau interne (41) et le plateau externe (42) étant séparés l’un de l’autre par le biais d’un palier à roulement (43) de sorte que le plateau interne (41) et le plateau externe (42) sont indépendants en rotation autour de l’axe de rotation (r) et sont solidaires en inclinaison par rapport au plan normal (P), dans lequel le vérin (60) est actionné de sorte à modifier l’inclinaison du plateau interne (41), et dans lequel le système d’articulation (50) articule le plateau externe (42) par rapport aux pales (1). Système de commande de calage cyclique de pales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une rotule (30) comprenant une surface externe (31) bombée, dans lequel l’ensemble de plateau (40) comprend une surface interne (411) de forme complémentaire de la surface externe (31) de la rotule (30) et positionnée au contact de la surface externe (31) de la rotule (30), de sorte que la surface externe (31) de la rotule (30) guide un déplacement en inclinaison de l’ensemble de plateau (40). Système de commande de calage cyclique de pales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le système d’articulation (50) comporte un ensemble de bielles (51), chaque bielle (51) étant articulée en une première extrémité (511) sur une pale (1) associée par le biais d’une liaison pivot (513), et en une deuxième extrémité (512) sur l’ensemble de plateau (40), les bielles (51) étant montées mobiles en rotation autour de l’axe de rotation (r) de l’hélice, de sorte qu’une inclinaison de l’ensemble de plateau (40) entraîne un déplacement correspondant des bielles (51) propre à modifier de manière cyclique le calage des pales (1). Système de commande de calage cyclique de pales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre une unité de commande (70) adaptée pour générer un signal de commande (Scom) du calage des pales (1) à partir d’une comparaison entre un signal de mesure (Sm) issu du capteur d’efforts (5) et un signal de consigne (Scons) prédéterminé, le signal de commande (Scom) étant adapté pour actionner le vérin (60) lorsque le signal de mesure (Sm) diffère du signal de consigne Scons d’une différence prédéterminée pendant une durée prédéterminée. Système de commande de calage cyclique de pales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre un système de commande du calage collectif des pales (1) configuré pour déplacer l’ensemble de plateau (40) en translation selon la direction longitudinale tout en conservant une même inclinaison de l’ensemble de plateau (40), de sorte à modifier le calage de chacune des pales (1) de manière identique, le calage collectif des pales (1) étant indépendant d’un calage cyclique des pales (1). Turbomachine comprenant un système de commande de calage cyclique de pales (1) d’une hélice selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Aéronef comprenant un système de commande de calage cyclique de pales (1) d’une hélice de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.