TITRE : Dispositif de commande d’un système de guidage du flux d’air, notamment dans une turbomachine d’aéronef

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne le domaine des aéronefs, et notamment des turbomachines d’ aéronefs .

Plus particulièrement, l’ invention concerne la commande d’ un système de guidage d’un flux d’ air.

Etat de la technique antérieure

De manière générale, une turbomachine comprend un compresseur, une chambre à combustion située en sortie dudit compresseur, une turbine haute pression destinée à entrainer en rotation le compresseur et une turbine basse pression destinée à entrainer en rotation les pales de l’ aéronef.

La turbomachine comprend en outre un système de guidage du flux d’ air, dit « inlet guide vanes », d’ acronyme « IGV » en termes anglo-saxons comprenant une pluralité d’ ailettes ou aubes directrices d’ entrée à calage variable, positionnées en amont du compresseur et permettant d’ améliorer le rendement du compresseur, et ainsi le cycle thermodynamique du moteur en régime de croisière. Un tel système contribue à la réduction de la consommation de carburant de l’ aéronef.

Par « calage variable », on entend la synchronisation de la position angulaire de l’ensemble des aubes d’ un même étage par l’ intermédiaire d’ un anneau ou couronne de commande solidaire de l’ ensemble des aubes . Chaque aube est reliée à l’ anneau de commande par une biellette de commande.

Il est connu de commander la position des aubes par un système de vérin fixé sur un carter et comprenant un piston déplaçable dans une chambre de vérin entre deux positions extrêmes d’ une plage nominale de fonctionnement du moteur, le piston étant relié à la couronne de commande par une tige de commande. Lors du mouvement du piston entre la première position extrême et la deuxième position extrême, les aubes sont mobiles de manière continue entre un premier angle et un deuxième angle.

La commande du déplacement du piston est généralement réalisée par un répartiteur de fluide, par exemple d’huile lors d’ une commande hydraulique.

En cas de panne d’ un élément de la cinématique de la commande des aubes, la position du piston et ainsi de l’ angle de calage des aubes peuvent ne plus être connus .

Il existe un besoin de connaitre la position du piston et ainsi de l’ angle de calage des aubes, à n’importe quel moment, et ce de manière fiable.

Exposé de l’invention

La présente invention a donc pour but de palier les inconvénients des dispositifs de commande des systèmes de guidage du flux d’ air précités .

L’ objectif de l’ invention est d’ améliorer la sécurité en cas de panne d’ un élément de la cinématique de la commande des aubes .

L’invention a donc pour objet un dispositif de commande d’ un système de guidage du flux d’ air comprenant au moins une aube mobile en rotation autour d’un axe de rotation entre un premier angle et un deuxième angle, le dispositif de commande comprenant au moins un actionneur configuré pour entrainer en translation une tige de commande entre une première position extrême et une deuxième position extrême d’ une plage nominale de fonctionnement dans laquelle l’ aube est mobile entre le premier angle et le deuxième angle, la tige de commande étant reliée à l’ axe de l’ aube par un levier de commande articulé par rapport à une extrémité libre de la tige de commande opposée à l’ extrémité reliée à l’ actionneur.

Le levier de commande comprend une première biellette de commande et une deuxième biellette de commande. Ladite première biellette comprend une première extrémité articulée par rapport à l’ extrémité libre de la tige de commande et une deuxième extrémité, articulée par rapport à une première extrémité de la deuxième biellette, ladite deuxième biellette comprenant en outre une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité et solidaire en rotation de l’ aube. En cas de panne du dispositif de commande, l’ actionneur est configuré pour amener la tige de commande dans une position de sécurité située au-delà de la deuxième position extrême de la plage nominale de fonctionnement et orienter l’ aube d’ un angle de calage sécuritaire compris entre le premier angle et le deuxième angle.

La position de sécurité et l’ angle de calage sécuritaire correspondent à une position dite de sécurité permettant le passage d’ un flux d’ air même en cas de panne du dispositif de commande. Ainsi, en cas de panne du dispositif de commande, la position du piston et l’ angle de calage des aubes sont connues à n’ importe quel moment, et ce de manière fiable.

Avantageusement, l’ actionneur est configuré pour transmettre un mouvement purement axial à la tige de commande selon un axe de déplacement dudit actionneur.

Selon un mode de réalisation, le levier de commande comprend uniquement la première et la deuxième biellettes de commande sont articulées entre elles et reliées par une liaison à rotule.

Le système de guidage du flux d’ air peut être un aubage du type à aubage directrices d’entrée ou à calage variable dit « inlet guide vanes », d’ acronyme « IGV » en termes anglo-saxons, comprenant une pluralité d’ ailettes ou aubes statoriques comprenant une aube principale reliée au levier de commande et une pluralité d’ aubes secondaires dont le mouvement est synchronisé sur le mouvement de l’ aube principale, le dispositif de commande comprenant en outre un anneau ou couronne de commande relié au levier de commande et relié aux aubes secondaires par l’ intermédiaire de biellettes secondaires, l’ axe de rotation des aubes étant perpendiculaire à l’ axe de l’ anneau de commande.

Chaque aube secondaire est ainsi reliée à l’ anneau de commande par une biellette de commande.

Par aubes à « calage variable », on entend la synchronisation de la position de l’ ensemble des aubes secondaires par rapport à l’ aube principale.

Par aubes « statoriques », on entend des aubes portées par le stator et mobiles en rotation autour de leur propre axe de rotation. Selon un mode de réalisation, la deuxième biellette de commande a une longueur sensiblement égale aux longueurs des biellettes secondaires, l’ anneau de commande étant articulé sur ladite deuxième biellette de commande en un point coïncidant avec de la liaison rotule entre les deux biellettes de commande.

Selon un autre mode de réalisation, la deuxième biellette de commande présente une longueur supérieure aux longueurs des biellettes secondaires, l’ anneau de commande étant articulé sur ladite deuxième biellette de commande en un point distant de la liaison rotule entre les deux biellettes de commande.

Par exemple, le dispositif de commande peut comprendre deux actionneurs, par exemple, diamétralement opposés .

L’ actionneur peut comprendre une tige d’ actionneur reliée à la tige de commande par une liaison rigide ou par une rotule.

De manière nullement limitative, l’ actionneur peut être un vérin comprenant un corps délimitant une chambre cylindrique à l’intérieur de laquelle est monté en translation un piston comportant une extrémité reliée à la tige de commande, le piston étant configuré pour effectuer une surcourse lors du déplacement de la tige de commande dans la position de sécurité.

Le corps du vérin peut comporter deux orifices débouchants dans la chambre pour l’ entrée et la sortie d’ un fluide, destiné à faire coulisser le piston à l’ intérieur dudit corps de vérin selon l’ axe axial. Par exemple, la chambre du vérin est alimentée en fluide, par exemple de l’huile, par une source d’énergie externe acheminant le fluide dans la chambre du vérin via le premier orifice. Sous l’ effet de la pression exercée par le fluide sur la face arrière du piston, celui-ci se déplace axialement le long de son axe, conjointement avec la tige de commande. La source d’ énergie externe peut être un système hydraulique de commande comprenant un répartiteur ou servo valve configurée pour répartir le fluide dans la chambre du vérin. En fonction de la servo valve, il est possible de connaître la course du piston.

Selon un autre aspect, l’invention concerne une turbomachine d’ aéronef comprenant, d’ amont en aval dans le sens d’ écoulement du flux d’ air, une manche d’ entrée recevant de l’ air, un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire, située en aval du compresseur, une turbine de puissance haute pression destinée à entrainer en rotation le compresseur, une turbine de sortie destinée à entrainer en rotation un arbre de sortie, par l’intermédiaire d’ un arbre basse pression, un système de guidage du flux d’ air positionné en amont du compresseur et un dispositif de commande dudit système de guidage du flux d’ air tel que défini précédemment.

Avantageusement, l’ axe de rotation de l’ aube du système de flux d’ air est perpendiculaire à l’ axe central de la turbomachine.

La plage nominale de fonctionnement correspond à la plage nominale de fonctionnement de la turbomachine.

La tige d’ actionneur est mobile selon l’ axe axial de la turbomachine.

Selon un autre aspect, l’invention concerne un hélicoptère mono-moteur comprenant une turbomachine telle que définie précédemment.

Brève description des dessins

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins indexés sur lesquels :

[Fig 1 ] illustre très schématiquement une vue en coupe d’ une turbomachine d’ aéronef comprenant un dispositif de commande d’ un système de guidage du flux d’ air selon l’ invention ;

[Fig 2] représente le système de guidage de flux de la figure 1 ;

[Fig 3] est une vue de détails en perspective du dispositif de commande de la figure 1 ;

[Fig 4]

[Fig 5]

[Fig 6] représentent schématiquement trois positions du dispositif de commande et de l’ aube principale du système de guidage de flux de la figure 1 ; et [Fig 7] représente le système de guidage de flux selon un autre mode de réalisation.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation

Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l’ air dans la turbomachine.

Sur la figure 1 est représentée très schématiquement une coupe axiale d’ une turbomachine 10, d’ axe central A qui correspond à l’ axe d’ un arbre de puissance (ou arbre basse pression) de la turbomachine. La turbomachine peut équiper, à titre d’ exemple non limitatif, les hélicoptères mono-moteur.

La turbomachine 10 comprend, d’ amont en aval dans le sens d’ écoulement du flux d’ air, une manche d’ entrée 1 1 recevant de l’ air, un compresseur centrifuge 12, par exemple à un ou deux étages, configuré pour aspirer le flux d’ air F. La turbomachine 10 comprend en outre une chambre de combustion annulaire 13 , par exemple à flux inversé, située en aval du compresseur 12, une turbine de puissance haute pression 14 destinée à entrainer en rotation le compresseur 12 par un arbre haute pression 15 et une turbine de sortie 16, par exemple, à seul étage, destinée à entrainer en rotation un arbre de sortie 17 par l’ intermédiaire d’ un arbre basse pression 18, coaxial à l’ arbre haute pression 15, et un système de réduction 19.

L’ arbre de sortie 17 est relié aux pales de l’ aéronef.

La turbomachine 10 comprend en outre un système de guidage du flux d’ air 20, dit « inlet guide vanes », d’ acronyme « IGV » en termes anglo-saxons comprenant une pluralité d’ ailettes ou aubes directrices à calage variable 21 , positionnées en amont du compresseur 12.

La pluralité d’ aubes à calage variable 21 comprend une aube principale 21 a et une pluralité d’ aubes secondaires 21b dont le mouvement est synchronisé sur le mouvement de l’ aube principale 21.

L’ aubage 21 constitué des aubes 21 a, 21b est dit « statorique », c’ est-à-dire que chaque aube 21 a, 21b est mobile en rotation autour de son propre axe de rotation. L’ axe de rotation des aubes 21 a, 21b est ici perpendiculaire par rapport à l’ axe central A de la turbomachine 10.

La turbomachine 10 comprend en outre un dispositif 30 de commande du système de guidage du flux d’ air 20.

Le dispositif de commande 30 du système de flux d’ air 20 comprend un actionneur 31 , une tige de commande 32 entrainée en translation par ledit actionneur 31 et reliée à l’ axe de l’ aube principale 21 a par un levier de commande 33. Le dispositif de commande 30 comprend en outre un anneau ou couronne de commande 34 relié au levier de commande 33 et articulé par rapport à celui-ci et articulé par rapport à des biellettes secondaires 35 qui elles sont solidaires en rotation des aubes secondaires 21b. En d’ autres termes, chaque aube secondaire 21b est reliée à l’ anneau de commande 34 par une biellette 35 de commande.

Par aubes à « calage variable », on entend la synchronisation de la position de l’ensemble des aubes secondaires 21b par rapport à l’ aube principale 21 a.

L’ axe de rotation des aubes 21 a, 21b est perpendiculaire à l’ axe de l’ anneau de commande 34.

L’ actionneur 3 1 peut être, de manière nullement limitative, un vérin comprenant un corps fixé sur un carter (non référencé) et délimitant une chambre cylindrique à l’intérieur de laquelle est monté en translation un piston comportant une extrémité reliée à la tige de commande 32.

La tige de commande 32 est reliée à l’ axe de l’ aube 21 a par le levier de commande 33 articulé par rapport à une extrémité libre 32a de la tige de commande 32 opposée à l’ extrémité reliée à l’ actionneur 31.

Le corps du vérin peut comporter deux orifices débouchants dans la chambre pour l’ entrée et la sortie d’ un fluide, destinés à faire coulisser le piston à l’ intérieur dudit corps de vérin selon un axe de déplacement X-X’ sensiblement parallèle à l’ axe central A de la turbomachine 10.

Par exemple, la chambre du vérin est alimentée en fluide, par exemple de l’huile, par une source d’ énergie externe acheminant le fluide dans la chambre du vérin via le premier orifice. Sous l’ effet de la pression exercée par le fluide sur la face arrière du piston, celui-ci se déplace axialement le long de l’ axe X-X’ , conjointement avec la tige de commande 32.

La source d’ énergie externe peut être un système hydraulique de commande comprenant un répartiteur ou servo valve configuré pour répartir le fluide dans la chambre du vérin. En fonction de la servo valve, il est possible de connaître la course du piston.

Le piston du vérin est mobile en translation dans la chambre du vérin entre deux positions extrêmes d’une plage de fonctionnement nominale de la turbomachine. Lors du mouvement du piston entre la première position extrême et la deuxième position extrême, l’ aube principale 21 a est mobile de manière continue entre un premier angle al et un deuxième angle a2 définis respectivement entre l’ aube principale 21 a et l’ axe horizontal parallèle à l’ axe de déplacement X- X’ . L’ angle fixe a, visible sur la figure 2, est défini entre l’ aube principale 21 a et une deuxième biellette de commande 37 solidaire en rotation de cette aube principale.

Le dispositif de commande 30 est configuré pour guider le piston, et ainsi la tige de commande 32 vers une position de sécurité dans laquelle la course du piston est connue, et ainsi l’ angle d’ ouverture des aubes 21 a, 21b .

La position de sécurité PS correspond à une position d’ ouverture des aubes dans laquelle la turbomachine peut fonctionnement de manière sécuritaire. L’ aube principale 21 a est déplacée du deuxième angle a2 vers un angle sécuritaire aS .

La position de sécurité PS est éloignée d’une des positions P I , P2 de la plage de fonctionnement nominale.

Le piston est configuré pour effectuer une surcourse au-delà d’une de ses positions extrêmes .

Tel qu ’illustré sur la figure 3 , le levier de commande 33 comprend deux pièces distinctes, à savoir une première biellette de commande 36 et une deuxième biellette de commande 37.

La première biellette de commande 36 comprend une première extrémité 36a articulée par rapport à l’ extrémité libre de la tige de commande 32, opposée à l’ extrémité reliée au piston et une deuxième extrémité 36b, articulée par rapport à une première extrémité 37a de la deuxième biellette de commande 37. En d’ autres termes, les deux biellettes de commande 36, 37 sont reliées par une liaison à rotule.

La deuxième biellette de commande 37 comprend en outre une deuxième extrémité 37b, opposée à la première extrémité 37a articulée par rapport à la première biellette 36, solidaire en rotation de l’ aube principale 21 a. En d’ autres termes, la deuxième biellette de commande 37 est fixée à l’ aube principale 21 a de façon à être solidaire en rotation de celle-ci, c ’ est dire que toute la deuxième biellette tourne avec l’ aube principale 21 a. L’ axe de rotation de l’ aube principale 21 a est référencé 20a.

L’ extrémité libre du piston est reliée à la tige de commande 32 par une liaison rigide ou rotule.

Tel qu’ illustré sur la figure 3 , la deuxième biellette de commande 37 présente une longueur sensiblement égale aux longueurs des biellettes secondaires 35. L’ anneau de commande 34 est articulé sur ladite deuxième biellette de commande 37 en un point coïncidant avec la liaison à rotule entre les deux biellettes de commande 36, 37.

La tige de commande 32 est configurée pour se déplacer uniquement en translation selon l’ axe de déplacement X-X’ lors du mouvement du piston du vérin. La tige de commande 32 a un seul degré de liberté, à savoir selon l’ axe de déplacement X-X’ .

Le déplacement de la tige de commande 32 est illustré sur les figures 4 à 6.

La figure 4 représente la première position extrême P I de l’ extrémité libre 32a de la tige de commande 32 lorsque la tige d’ actionneur ou piston est dans la première position extrême de la plage nominale de fonctionnement de la turbomachine 10. Dans la première position extrême P I de la tige de commande 32, l’ aube principale 21 a est ouverte d’un premier angle al , par exemple compris entre 45 ° et 75 °, par exemple supérieur ou égal à 60° .

La figure 5 représente la deuxième position extrême P2 de l’ extrémité libre de la tige de commande 32 lorsque la tige d’ actionneur ou piston est dans la deuxième position extrême de la plage nominale de fonctionnement de la turbomachine 10. Lors du déplacement de la tige de commande 32 de la première position extrême P I vers la deuxième position extrême P2, l’ aube principale 21 a est mobile progressivement du premier angle al vers un deuxième angle a2 par exemple égal à 0° . Le flux d’ écoulement est maximal dans cette deuxième position extrême.

La figure 6 représente la position de sécurité PS de l’extrémité libre de la tige de commande 32 lorsque la tige d’ actionneur ou piston effectue une surcourse ou s ’ étend au-delà de la deuxième position extrême de la plage nominale de fonctionnement de la turbomachine 10. Lors du déplacement de la tige de commande 32 de la deuxième position extrême P2 vers la position de sécurité PS , l’ aube principale 21 a est mobile progressivement du deuxième angle a2 vers un angle de calage sécuritaire aS compris entre les angles al et a2, par exemple compris entre 5 ° et 15 °, par exemple égal à 8° . Dans l’exemple représenté, l’ angle fixe a est prévu égal à l ’ angle de calage sécuritaire aS, de telle sorte que lorsque la position de sécurité PS est atteinte, la deuxième biellette de commande 37 est orientée parallèlement à l’ axe de déplacement X-X’ . Néanmoins, les angles a et aS peuvent être prévus différents l’ un de l’ autre sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple, une surcourse supplémentaire de la tige d’ actionneur et donc de la tige de commande 32, de façon à déplacer la position de sécurité PS , augmenterait la valeur de l ’ angle de calage sécuritaire aS alors que l’ angle a reste fixe.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 7, dans lequel les mêmes éléments portent les mêmes références, la deuxième biellette de commande 37 présente une longueur supérieure aux longueurs des biellettes secondaires 35. L’ anneau de commande 34 est articulé sur ladite deuxième biellette de commande 37 en un point distant de la liaison rotule entre les deux biellettes de commande 36, 37.

On obtient une relation linéaire entre la position de la tige d’ actionneur 32 et l’ angle de calage de l’ aube principale 21 a. De manière générale, l’ utilisation du dispositif de commande 30 n’ est pas limité à une turbomachine et peut être utilisé pour assurer le déplacement de la tige de commande et ainsi l’orientation d’ ailettes montées en amont d’ une roue directrice vers une position de sécurité en cas de défaillance d’ un élément dudit dispositif de commande. L’ angle de calage sécuritaire des ailettes est compris dans la plage d’ angle de calage utile au fonctionnement nominal de la roue directrice. Cet angle de calage sécuritaire est atteint lors d’ une surcourse d’ une tige d’ actionneur du dispositif de commande. Grace à l’ invention, il est possible d’ amener la tige de commande et ainsi l’ angle de calage des aubes vers une position de sécurité fiable.