Brevet FR3122224A1 — publié le 20221028

(titre) COMPRESSEUR DE TURBOMACHINE DOTÉ D’UNE AUBE D’ENTRÉE À GÉOMÉTRIE VARIABLE Compresseur de turbomachine, en particulier pour un avion ou un hélicoptère, le compresseur comprenant : une lame (26) d’entrée disposant d’un pied (30) et d’une tête (32), le pied (30) et la tête (32) définissant entre eux un vrillage de la lame (26) ; et un mécanisme de réglage de l’orientation de la lame, le compresseur étant remarquable en ce que le mécanisme de réglage de l’orientation de la lame comprend : un premier actionneur (36), de pivotement du pied (30) ; et un second actionneur (38), de pivotement de la tête (32), lesdits actionneurs (36, 38) permettant de régler ensemble l’orientation de la lame (26), et lesdits actionneurs (36, 38) étant configurés pour être commandés indépendamment l’un de l’autre afin de varier le vrillage de la lame (26). (Figure à publier avec l'abrégé : Figure 5) COMPRESSEUR DE TURBOMACHINE DOTÉ D’UNE AUBE D’ENTRÉE À GÉOMÉTRIE VARIABLE L’invention porte sur le domaine des turbomachines pour aéronefs. En particulier, l’invention se concentre sur la conception du compresseur, radial ou axial, d’une telle turbomachine. Un compresseur comprend généralement plusieurs étages successifs de compression parcouru par un flux d’air. En entrée de ces étages peut figurer une rangée annulaire de pales dites de pré-rotation qui peuvent pivoter sur leurs axes pour orienter le flux et/ou en réduire la vitesse à l’entrée du compresseur. La position angulaire des pales de pré-rotation peut être commandée en fonction du domaine de vol (décollage, croisière, etc.) et/ou en fonction du régime ou de la charge moteur. Un exemple est donné dans le document FR 3 019 597 A1. Les pales sont assemblées au carter à leurs deux extrémités, pied et tête. Les pales peuvent être droites, c’est-à-dire que la surface de la pale au contact du flux est une surface réglée à génératrices parallèles. Alternativement, les pales peuvent être vrillées, c’est-à-dire que le profil de la pale est angulairement pivoté entre la tête et le pied (pivoté autour d’un axe sensiblement parallèle à l’axe de rotation d’un compresseur radial, et autour d’un axe sensiblement radial d’un compresseur axial). Le vrillage des pales est dimensionné pour offrir un bon rendement à un point de fonctionnement du moteur donné. Le vrillage n’est donc pas optimal sur toute l’étendue des conditions de fonctionnement du compresseur. Le rendement du moteur n’est donc pas optimal sur toute sa plage de fonctionnement. Un autre effet qui peut affecter le rendement du moteur est la présence de givre sur les pales de pré-rotation, le givre altérant la géométrie de la pale. Le givre peut également, lorsqu’il se forme sur la pale puis s’en détache, endommager certains éléments de la turbomachine. Certaines technologies existent pour prévenir la formation de givre (ou l’éliminer une fois qu’il s’est formé). Une première solution connue contre le givre est l’intégration de résistances électriques dans les pales. Cela impose une certaine épaisseur pour l’aube et l’intégration de conducteurs électriques. Les conducteurs doivent être petits et insérés dans des cavités vrillées. Cette technique n’est donc pas robuste mécaniquement dans un environnement soumis à des vibrations. Une autre solution connue contre le givre est l’insufflation d’air chaud prélevée en aval à un point de la turbomachine où l’air est plus chaud. Cette technique est très énergivore : elle consomme plusieurs dizaines de pourcents de la puissance nominale. Cette technique n’est efficace qu’à haut régime moteur, puisqu’à bas régime le compresseur ne chauffe pas assez l’air et ne délivre pas assez de débit pour éliminer le givre. Ainsi, cette technique n’est pas efficace pour un aéronef évoluant à basse altitude et au ralenti, par exemple lors de l’atterrissage, alors que paradoxalement le risque de formation du givre est particulièrement grand à basse altitude. La présente invention a pour objectif de proposer un compresseur qui surmonte les inconvénients cités des compresseurs connus, et en particulier de proposer un compresseur qui délivre un meilleur rendement sur toute sa plage d’utilisation, c’est-à-dire à tous les régimes et à toute altitude. L’invention concerne un compresseur de turbomachine d’aéronef, le compresseur comprenant : un carter ; une lame d’entrée disposant d’un pied et d’une tête, le pied et la tête définissant entre eux un vrillage de la lame ; et un mécanisme de réglage de l’orientation de la lame, le compresseur étant remarquable en ce que le mécanisme de réglage de l’orientation de la lame comprend : un premier actionneur fixé au carter, apte à pivoter le pied ; et un second actionneur fixé au carter, apte à pivoter la tête, lesdits actionneurs permettant de régler l’orientation de la lame, et lesdits actionneurs étant configurés pour être commandés indépendamment l’un de l’autre afin de varier le vrillage de la lame. L’aéronef peut être un avion ou un hélicoptère. Par vrillage, on entend un angle (qui peut être nul) matérialisant un décalage angulaire entre la tête et le pied, c’est-à-dire une différence entre la normale à la lame passant par le pied et la normale à la lame passant par la tête. L’orientation de la lame peut être définie par convention comme la position angulaire de la tête, ou du pied, ou de tout autre point caractéristique de la lame. Lorsque les actionneurs sont commandés simultanément pour pivoter la tête et le pied d’un même angle (dans le même sens de rotation), c’est uniquement l’orientation de la lame qui est commandée. Lorsque les actionneurs sont commandés différemment l’un de l’autre, le vrillage est commandé. Selon la convention que l’on donne à l’orientation (voir paragraphe précédent), celle-ci peut aussi varier lorsque les deux actionneurs sont commandés différemment l’un de l’autre (par exemple si l’orientation est définie par la position angulaire du pied, le pivotement de celui-ci sans pivotement de la tête résulte en un changement de vrillage et d’orientation). Il est entendu que la lame est suffisamment flexible et/ou fine et/ou élastique pour se déformer sans rompre sous l’action des actionneurs et ainsi permettre un vrillage variable. La lame peut être pourvue d’un profil aérodynamique (intrados et extrados). La possibilité de faire varier le vrillage permet une amélioration (plus exactement une optimisation) des performances à tous les régimes (y compris partiels), d’où découlera une amélioration de la consommation spécifique du moteur. La marge au pompage est également réduite grâce au vrillage variable des lames de pré-rotation car le vrillage peut être continuellement adapté et optimisé aux conditions aérodynamiques à l’entrée du compresseur. La disposition des actionneurs en tête et en pied permet une bonne précision de l’orientation et du vrillage de la lame. La conception est également robuste et durable. Le fait d’imposer une orientation à la tête et au pied n’entraîne pas de restriction sur la nature du matériau de la lame. Celle-ci peut être faite d’un matériau isotrope et homogène. Elle peut être faite de matériau inoxydable, d’élastomère, etc. Les modes de réalisation avantageux de l’invention participent à l’amélioration du rendement du moteur sur toute sa plage de fonctionnement à différents degrés. Selon un mode de réalisation avantageux, le pied et la tête sont chacun formés d’une armature et d’un axe, l’armature et l’axe étant en matériau plus rigide que la lame. Cette conception robuste permet un contrôle précis du vrillage et donc un rendement optimisé à tous les régimes. Selon un mode de réalisation avantageux, l’armature est un disque préférentiellement enclavé dans le carter. Cette conception avantageuse permet de limiter les effets aérodynamiques indésirables (fuites, turbulences) et permet également de bien transmettre les efforts de torsion à la lame. Une plateforme de fixation peut être agencée dans le carter et l’armature peut y être enclavée. Selon un mode de réalisation avantageux, au moins un des actionneurs comprend un moteur électrique pivotant directement ou indirectement la tête ou le pied. Un moteur électrique (par exemple pas-à-pas) permet une précision de commande ainsi qu’un couple suffisant pour faire vriller des aubes mêmes peu flexibles. Selon un mode de réalisation avantageux, au moins un des actionneurs comprend un vérin actionnant une couronne reliée au pied ou à la tête par une bielle. Cette technologie robuste, connue pour les aubes à orientation variable peut ici être appliquée au pied et à la tête. Selon un mode de réalisation avantageux, un vibreur linéaire électromécanique est agencé dans le mécanisme d’orientation de la lame. Les oscillations générées par le vibreur permettent de prévenir la présence de givre sur la lame, ou de l’éliminer, résultant en un meilleur rendement du compresseur dans toutes les conditions de vol. L’invention porte également sur une utilisation d’un compresseur selon l’un des modes de réalisation exposés ci-dessus, l’utilisation comprenant une étape de variation du vrillage de la lame par la commande d’au moins un des deux actionneurs, préférentiellement en fonction de la vitesse de rotation du compresseur. Ceci permet d’adapter le vrillage à toutes les conditions de vol. Le vrillage peut être commandé pour varier de -10° à +65° par rapport au vrillage nominal (qui peut être nul ou non). L’invention porte également sur une utilisation d’un compresseur selon l’un des modes de réalisation exposés ci-dessus, l’utilisation comprenant une étape lors de laquelle au moins un des actionneurs est commandé pour créer un pivotement oscillatoire du pied et/ou de la tête de la lame. Les oscillations permettent de prévenir la formation de givre, ou lorsque celui-ci est déjà présent sur la lame, de l’en détacher. En effet, les oscillations affaiblissent les liaisons de van der Waal entre la lame (par exemple en métal) et la glace jusqu’à leur destruction et provoquent ainsi la décohésion attendue du givre. La géométrie de la lame n’est donc pas affectée par le givre, évitant ainsi des baisses de rendement, même dans des conditions de vol propices à la formation de givre. Selon un mode de réalisation avantageux, les deux actionneurs sont commandés pour faire osciller le pied et la tête : en phase, en opposition de phase, avec un déphasage ou à des fréquences différentes ; et/ou avec une amplitude angulaire identique ou différente ; et/ou à une fréquence fixe ou variable, inférieure à 0,5 Hz ou supérieure à 10 Hz, en fonction du régime du compresseur. Selon un mode de réalisation avantageux, pour certains régimes, notamment à bas régime ou au ralenti ou en-dessous d’un régime seuil, les oscillations sont de grande amplitude, par exemple environ 1°, et de fréquence faible, par exemple moins de 0.5 Hz. Selon un mode de réalisation avantageux, pour certains régimes, notamment à haut régime ou au-dessus d’un régime seuil, les oscillations sont de faible amplitude, par exemple environ 0.5°, et de grande fréquence, par exemple plus de 10 Hz. Préférentiellement, la fréquence peut être supérieure à 15 Hz, notamment en phase d’accélération. Selon un mode de réalisation avantageux, les oscillations sont formées d’une superposition d’une oscillation de grande amplitude et de faible fréquence, et d’une oscillation de petite amplitude et de grande fréquence. Ainsi, les oscillations les plus efficaces sont imposées sur toute la plage de fonctionnement du moteur pour s’assurer d’une absence de givre et donc d’un bon rendement du moteur en toutes circonstances. Ainsi, le vrillage alterné entre pied et la tête permet un dégivrage optimisé de la lame à tous les régimes. De plus, des oscillations (par exemple de haute fréquence) peuvent être superposées aux variations de vrillage pour combiner les effets de dégivrage et d’optimisation de flux. En résumé, le compresseur selon l’invention et ses utilisations présentent un certain nombre d’avantages techniques : précision, fiabilité, robustesse, durabilité. La géométrie de la lame de pré-orientation est optimale en toutes conditions, en termes de vrillage et d’absence de givre. Les conséquences se portent également sur une plus grande opérabilité de l’aéronef dont le vol devient possible en toute circonstance, la marge de sécurisé étant améliorée. Cette solution ne présente pas les inconvénients des autres solutions connues : pas d’abattement de la consommation spécifique du moteur par prélèvement d’air à haut niveau d’enthalpie ; et une meilleur robustesse et durabilité que des résistances électriques intégrées dans une pale. Seul un prélèvement négligeable de puissance électrique à l’alternateur et/ou de puissance hydraulique est nécessaire, selon la technologie de l’actionneur envisagé. L’invention est de plus versatile en ce qu’elle accepte une grande variété de matériau possible pour l’aube, et une conception et fabrication moins contraignante, les actionneurs étant capable de « rattraper » un vrillage nominal qui se révèlerait inadapté au cours de la vie du compresseur. est une vue schématique d’une turbomachine avec un compresseur radial ; montre une lame utilisée dans un compresseur selon l’invention ; montre une lame utilisée dans un compresseur selon l’invention dans une configuration vrillée ; montre une variante avec des armatures cylindriques ; représente l’entrée d’air d’un compresseur selon l’invention. Description détaillée Les figures sont représentées de façon schématique et certaines des dimensions peuvent y être exagérées pour en faciliter la lecture. Dans la description qui va suivre, les termes « interne » et « externe » renvoient à un positionnement par rapport à l’axe de rotation du rotor du compresseur. La direction axiale correspond à la direction le long de l’axe de rotation du compresseur. La direction radiale est perpendiculaire à l’axe de rotation. L’amont et l’aval sont en référence au sens d’écoulement du flux dans la turbomachine. La représente schématiquement une turbomachine d’hélicoptère 1. La turbomachine 1 comprend, d’amont en aval, une entrée d’air 2, un compresseur radial (ou compresseur centrifuge) 4 muni d’un rouet 6, un redresseur-diffuseur 8, une chambre annulaire de combustion 10, une turbine 12 solidaire en rotation du rouet 6 du compresseur 4, une turbine libre 14, un diffuseur de sortie 16 et une tuyère d'échappement 18. La turbine libre 14 comprend une roue 20 qui est solidaire en rotation d'un arbre de transmission 22 qui s'étend le long de l'axe longitudinal Z-Z de la turbomachine et traverse axialement la turbine 12 et le compresseur 4. La puissance issue de la combustion entraîne les turbines 12, 14. L’une 12 entraîne le rouet 6 en rotation pour compresser le flux d’air avant qu’il ne pénètre dans la chambre de combustion 10. L’autre turbine 14 entraîne l’arbre de transmission 22. L'extrémité amont de l'arbre de transmission 22 est située en amont de l'entrée d'air 2 et entraîne, via un réducteur 24, une série d'accessoires (non représentés) ainsi qu'un arbre de puissance 25 couplé aux pales de l’hélicoptère. En amont du rouet 6, le compresseur 4 comprend une rangée annulaire de lames 26 de pré-orientation du flux d’air (non représentées ). Ces lames peuvent être des aubes, c’est-à-dire être pourvues d’une pale ayant un profil aérodynamique avec un intrados et un extrados. La décrit de façon plus détaillée une lame 26 de la . La lame dispose d’un corps (pale) 28 qui est suffisamment fin en rapport avec sa longueur pour être flexible en torsion. La lame 26 présente un pied 30 et une tête 32 aux extrémités respectives du corps 28. L’épaisseur du corps 28 peut être identique en tout point de la lame ou l’épaisseur peut varier d’amont vers l’aval et/ou de sa tête vers son pied. De même, la largeur du corps 28 peut être identique de la tête au pied (comme représenté) ou varier. La géométrie du corps 28 de la lame est notamment adaptée aux besoins aérodynamiques ou aux besoins de dégivrage localement. Le corps 28 peut présenter un profil aérodynamique (bord d’attaque et de fuite, intrados et extrados), ou celui-ci peut être une lamelle d’épaisseur constante. Le pied 30 est composé d’une armature 30.1 et d’un axe (ou tourillon) 30.2. La tête 32 est composés d’une armature 32.1 et d’un axe 32.2. Les armatures 30.1, 32.1 et les axes 30.2, 32.2 sont plus rigides que le corps 28. Les axes 30.2, 32.2 sont préférentiellement coaxiaux selon un axe A. Les armatures 30.1, 32.1 sont rectilignes dans cet exemple. Les axes 30.2, 32.2 peuvent présenter des éléments permettant de les solidariser en rotation avec un actionneur, comme par exemple un méplat, une clavette, etc. La montre la lame 26 dans une configuration vrillée, c’est-à-dire avec la tête 32 pivotée d’un angle α donné autour de l’axe A et le pied 30 pivoté d’un angle β par rapport à des positions angulaires nominales. Le vrillage peut être par convention la différence α-β. Les angles α et β peuvent avoir des valeurs absolues différentes et être de même signe ou de signes opposés. Dit autrement, la lame 26 n’est pas faite d’un profil uniquement translaté selon l’axe A. Ce vrillage peut être le vrillage nominal, c’est-à-dire le vrillage moyen présentant un compromis pour un bon rendement de moteur sur un point de fonctionnement donné. Le vrillage nominal peut être nul. La montre une variante pour la lame, dans laquelle les armatures 30.1, 32.1 sont des disques. Les disques peuvent être partiellement ou totalement enclavés dans un logement du carter prévu à cet effet. La surface circulaire des disques qui fait face à la lame permet une continuité de matière avec le carter pour guider le flux. Les modes de réalisation des figures 3 et 4 peuvent être combinés : une lame peut comprendre une armature rectiligne à une de ses extrémités (tête ou pied) et une armature discoïde à son autre extrémité. La représente partiellement une vue en coupe de l’entrée d’air 2 d’un compresseur 4 selon l’invention. Un carter 4.1 reçoit les différents éléments du compresseur et délimite une veine annulaire d’air 34. La lame 26 est une lame parmi une rangée annulaire de lames 26. Cette lame 26 est agencée selon un axe A sensiblement perpendiculairement à la direction du flux d’air. Le pied 30 et la tête 32 de la lame 26 sont assemblés sur le carter 4.1 par l’intermédiaire d’actionneurs 36, 38 dont le but est de faire pivoter indépendamment le pied 30 et la tête 32. Les actionneurs 36, 38 sont commandés par une unité de commande, par exemple en communication avec le FADEC. Ils imposent un angle de pivotement à la tête ou au pied afin d’obtenir une orientation de la lame 26 et/ou un vrillage de la lame 26. L’orientation est le pivotement coordonné du pied 30 et de la tête 32 (déplacement angulaire simultané). Les variations de vrillage sont obtenues par un pivotement distinct du pied 30 et de la tête 32. Les actionneurs 36, 38 peuvent être électriques comme par exemple des moteurs électriques pas à pas, entraînant directement chaque pied 30 et chaque tête 32 des lames 26. Les actionneurs 36, 38 peuvent également être des moteurs électriques entraînant indirectement les lames 26 par le biais d’une première couronne entraînant simultanément tous les pieds 30 des lames 26 et une seconde couronne entraînant simultanément toutes les têtes 32 des lames 26. Les actionneurs 36, 38 peuvent alternativement s’inspirer des mécanismes d’orientation des aubes connus, c’est-à-dire avec une couronne pivotant de quelques degrés autour de l’axe du compresseur sous l’influence d’un ou plusieurs vérins, la couronne étant reliée par des bielles respectives (ou leviers) à chaque lame 26. Ainsi, la rotation de la couronne autour de l’axe Z entraîne la rotation de la lame 26 autour de l’axe A. Dans le cas présent où le pied 30 et la tête 32 sont indépendamment contrôlés en pivotement, une couronne peut être prévue pour faire pivoter le pied 30 de la lame 26 et une autre couronne, indépendante, peut être prévue pour faire pivoter la tête 32 de la lame 26. Afin d’imposer des oscillations ou des vibrations, un vibreur linéaire électrique peut être intercalé entre la couronne et les bielles. Le vibreur linéaire électrique peut être choisi pour être transparent lorsqu’il est inactif, c’est-à-dire ne pas créer d’hystérésis au pivotement des aubes. Les actionneurs 36 des pieds 30 peuvent être de différente nature de ceux 38 des têtes 32. Le vrillage comme le calage de l’orientation de la lame peuvent être plus ou moins accentués (notamment entre -10 et 60°), notamment en fonction du régime du moteur. Les oscillations peuvent être de différentes natures et leur amplitude et fréquence peuvent varier, notamment en fonction du régime moteur, des conditions de pression, de température et d’hygrométrie du flux d’entrée, ou même de l’orientation de la lame 26. Les caractéristiques techniques décrites ci-dessus sont combinables entre elles selon toutes les combinaisons techniques possibles, à moins que le contraire ne soit explicitement mentionné. Si un mode de réalisation privilégié de l’invention vise un compresseur radial, les mêmes enseignements sont aisément applicables à un compresseur axial. Compresseur (4) de turbomachine (1) d’aéronef, le compresseur (4) comprenant : - un carter (4.1) ; - une lame (26) d’entrée disposant d’un pied (30) et d’une tête (32), le pied et la tête (32) définissant entre eux un vrillage (α-β) de la lame (26) ; et - un mécanisme de réglage de l’orientation de la lame (26), le compresseur (4) étant caractérisé en ce que le mécanisme de réglage de l’orientation de la lame (26) comprend : - un premier actionneur (36) fixé au carter (4.1), apte à pivoter le pied (30) ; et - un second actionneur (38) fixé au carter (4.1), apte à pivoter la tête (32), lesdits actionneurs (36, 38) permettant de régler l’orientation de la lame (26), et lesdits actionneurs (36, 38) étant configurés pour être commandés indépendamment l’un de l’autre afin de varier le vrillage (α-β) de la lame (26). Compresseur (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pied (30) et la tête (32) sont chacun formés d’une armature (30.1, 32.1) et d’un axe (30.2, 32.2), l’armature (30.1, 32.1) et l’axe (30.2, 32.2) étant en matériau plus rigide que la lame (26). Compresseur (4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’armature (30.1, 32.1) est un disque préférentiellement enclavé dans le carter. Compresseur (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins un des actionneurs (36, 38) comprend un moteur électrique pivotant directement ou indirectement la tête (32) ou le pied (30). Compresseur (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins un des actionneurs (36, 38) comprend un vérin actionnant une couronne reliée au pied (30) ou à la tête (32) par une bielle. Utilisation d’un compresseur (4) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une étape de variation du vrillage (α-β) de la lame (26) par la commande d’au moins un des deux actionneurs (36, 38), préférentiellement en fonction de la vitesse de rotation du compresseur (4). Utilisation d’un compresseur (4) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une étape lors de laquelle au moins un des actionneurs (36, 38) est commandé pour créer un pivotement oscillatoire du pied (30) et/ou de la tête (32) de la lame (26). Utilisation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les deux actionneurs (36, 38) sont commandés pour faire osciller le pied (30) et la tête (32) : - en phase, en opposition de phase, avec un déphasage ou à des fréquences différentes ; et/ou - avec une amplitude angulaire identique ou différente ; et/ou - à une fréquence fixe ou variable, inférieure à 0,5 Hz ou supérieure à 10 Hz, en fonction du régime du compresseur. Utilisation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que : - pour certains régimes, notamment à bas régime ou au ralenti ou en-dessous d’un régime seuil, les oscillations sont de grande amplitude, par exemple environ 1°, et de fréquence faible, par exemple moins de 0.5 Hz ; et/ou - pour certains régimes, notamment à haut régime ou au-dessus d’un régime seuil, les oscillations sont de faible amplitude, par exemple environ 0.5°, et de grande fréquence, par exemple plus de 10Hz. Utilisation selon l’une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les oscillations sont formées d’une superposition d’une oscillation de grande amplitude et de faible fréquence, et d’une oscillation de petite amplitude et de grande fréquence.