Dispositif à vérin mobile pour la commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des turbopropulseurs comportant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable. Elle concerne plus particulièrement la commande d'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur d'avion à double hélice.

De façon connue, un turbopropulseur d'avion à double hélice comprend une turbine à deux rotors contrarotatifs entraînant chacun un ensemble de pales de soufflante non carénées. On pourra par exemple se référer au document GB 2,129,502 qui décrit différents modes de réalisation d'un tel turbopropulseur.

Dans ce type de turbopropulseur, l'orientation des pales de soufflante de chaque ensemble (on parle également de réglage du pas) constitue l'un des paramètres permettant de gérer la poussée du turbopropulseur. A cet effet, l'une des solutions connues pour commander l'orientation des pales de soufflante d'un même ensemble consiste à utiliser un renvoi de commande de calage qui est réalisé par l'intermédiaire d'arbres radiaux actionnés par des vérins situés au centre du turbopropulseur.

Bien qu'efficace, une telle solution présente toutefois l'inconvénient d'être particulièrement complexe à réaliser puisqu'elle nécessite l'utilisation de très nombreux engrenages. Par ailleurs, ce type de commande requiert d'avoir des arbres radiaux à fort diamètre pour éviter les problèmes de torsion auxquels ils sont soumis, Or, de tels arbres engendrent un maître couple important ce qui entraîne une obstruction supplémentaire dans la veine aérodynamique et provoque ainsi une perte de rendement.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une commande de l'orientation des pales de soufflante ne nécessitant pas le recours à des arbres travaillant en torsion. Ce but est atteint grâce à un dispositif de commande de l'orientation des pales de soufflante d'un turbopropulseur comprenant au moins un ensemble de pales de soufflante à orientation réglable, ledit ensemble étant solidaire en rotation d'un anneau rotatif centré sur un axe longitudinal et lié mécaniquement à un rotor de turbine, chaque pale de l'ensemble étant couplée, pour le réglage de son orientation, à un anneau de synchronisation centré sur l'axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un vérin centré sur l'axe longitudinal, solidaire en rotation du rotor de turbine et lié mécaniquement à l'anneau de synchronisation au moyen d'une pluralité de bras de liaison reliés à la tige du vérin et montés articulés sur l'anneau de synchronisation de telle manière qu'un actionnement du vérin entraîne un déplacement en rotation de l'anneau de synchronisation autour de l'axe longitudinal.

Le dispositif de commande selon l'invention présente l'avantage que les bras de liaison travaillent en traction et non en torsion de sorte que les biellettes qui les constituent peuvent être de diamètre réduit. Par ailleurs, ce dispositif de commande est dépourvu d'engrenages. Il en résulte une commande fiable, précise et de masse réduite.

Selon une disposition avantageuse, chaque bras de liaison comprend une biellette axiale reliée à la tige du vérin, une biellette radiale reliée à l'anneau de synchronisation, et au moins un guignol de renvoi d'angle reliant la biellette axiale à la biellette radiale de telle manière qu'un actionnement du vérin entraîne un déplacement de la biellette radiale selon une direction sensiblement radiale. De préférence, chaque bras de liaison comprend en outre un autre guignol de renvoi d'angle solidaire de l'anneau rotatif et relié d'une part à la biellette radiale et d'autre part à une biellette tangentîelle fixée à l'anneau de synchronisation de telle manière qu'un déplacement de la biellette radiale selon une direction sensiblement radiale entraîne un déplacement en rotation de l'anneau de synchronisation autour de l'axe longitudinal.

Selon un mode de réalisation, une extrémité de la biellette axiale de chaque bras de liaison est reliée à la cage externe d'un palier à roulement dont la cage interne est reliée à la tige du vérin et apte à coulisser longitudînalement sur un arbre du rotor de turbine par l'intermédiaire de cannelures. Dans ce cas, la biellette radiale de chaque bras de liaison est de préférence guidée radialement par des paliers étanches.

Selon un autre mode de réalisation, une extrémité de la biellette axiale de chaque bras de liaison est reliée à la tige du vérin. Avantageusement, le dispositif de commande comporte en outre des moyens pour donner une orientation prédéterminée aux pales de soufflante en cas de défaillance du vérin.

Avantageusement encore, chaque bras de liaison du dispositif de commande traverse radialement un bras de carter du turbopropulseur. Les bras de liaison peuvent être régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal. Enfin, l'ensemble peut comprendre dix pales de soufflante et le vérin être lié mécaniquement à l'anneau de synchronisation au moyen de cinq bras de liaison.

L'invention concerne également un turbopropulseur à double hélice, comportant une turbine à deux rotors contrarotatifs et deux ensembles de pales de soufflante à orientation réglable solidaires en rotation de deux anneaux rotatifs respectivement liés aux rotors, la commande de l'orientation des pales de soufflante d'au moins l'un des ensembles étant réalisée par un dispositif de commande tel que défini précédemment.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turbopropulseur à double hélice muni d'un dispositif de commande de l'orientation des hélices selon l'invention ; - les figures 2A et 2B sont des vues agrandies de la figure 1 montrant la commande de l'orientation des hélices de l'ensemble amont ;

- la figure 3 est une vue agrandie de la figure 1 montrant la commande de l'orientation des hélices de l'ensemble aval ; et

- la figure 4 est une vue de face d'une partie du dispositif de commande des figures 2Â _f 2B et 3. Description détaillée d'un mode de réalisation

La figure 1 représente de façon très schématique un exemple de réalisation d'un turbopropulseur d'avion du type à double hélice.

Un tel turbopropulseur est connu et ne sera donc pas décrit en détails. Le turbopropulseur 10 comprend notamment un axe longitudinal 12 et une nacelle annulaire 14 disposée coaxialement autour de l'axe longitudinal. Le turbopropulseur 10 comprend en outre, d'amont en aval, un compresseur 16, une chambre de combustion 18 et une turbine 20 à deux rotors contrarotatifs 22a, 22b, ces différents éléments étant également disposés coaxialement autour de l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur.

Le turbopropulseur 10 comprend encore un ensemble amont (ou avant) 24a et un ensemble aval (ou arrière) 24b de pales de soufflante 26 à orientation réglable. Les pales de soufflante 26 de chaque ensemble 24a, 24b sont plus précisément montées sur un anneau rotatif 28a, 28b en forme de plate-forme annulaire centrée sur l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur. Les pales de soufflante 26 de chaque ensemble sont par ailleurs régulièrement espacées circonférentiellement et s'étendent radialement depuis la surface de l'anneau rotatif respectif 28a, 28b. Chaque rotor 22a, 22b de la turbine 20 porte et entraîne en rotation l'un des anneaux rotatifs 28a, 28b sur lequel est monté l'un des ensembles 24a, 24b de pales de soufflante à orientation réglable.

Le turbopropulseur comprend également un dispositif pour la commande de l'orientation des pales de soufflante de chaque ensemble 24a, 24b. Le dispositif de commande selon l'invention permet de régler l'orientation des pales de soufflante à la fois de l'ensemble amont 24a et de l'ensemble aval 24b. Il pourrait toutefois être utilisé pour la commande de l'orientation des pales d'un seul de ces ensembles.

Comme représenté de façon plus précise sur les figures 2A, 2B et 3, le dispositif de commande selon l'invention comporte, pour chaque ensemble 24a _# 24b _# un anneau de synchronisation 30a _# 30b qui est centré sur Taxe longitudinal 12 du turbopropulseur et qui est disposé coaxialement à l'intérieur de l'anneau rotatif respectif 28a, 28b, celui-ci présentant communément une forme de polygone.

Par ailleurs, comme représenté sur la figure 4, chaque anneau de synchronisation 30a, 30b est relié par l'intermédiaire d'une pluralité de bielles d'entraînement 32 articulés à leurs deux extrémités à des supports

34 de pied de pale qui sont montés pivotant sur l'anneau rotatif respectif

28a, 28b. De façon connue, chaque support 34 reçoit le pied d'une pale

26, par exemple au moyen d'une attache en forme de queue d'aronde, et est fixé pivotant autour d'un axe radial 36 sur l'anneau rotatif au moyen par exemple d'un palier à roulement à billes.

De la sorte, une rotation de chaque anneau de synchronisation 30a, 30b autour de l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur (dans un sens ou dans l'autre) entraîne une rotation de chaque support 34 de pied de pale autour de leur axe radial 36 respectif (par l'intermédiaire des bielles d'entraînement 32), ce qui a pour effet de changer l'orientation des pales 26 montées sur ces supports.

Le dispositif de commande selon l'invention comporte également un vérin 38 (de type hydraulique, pneumatique ou électrique) qui est centré sur l'axe longitudinal 12 et solidaire en rotation d'un arbre de l'un des rotors 22a, 22b de la turbine 20 (dans l'exemple décrit ici, le vérin est solidaire en rotation d'un arbre du rotor 22b entraînant en rotation l'ensemble aval 24b).

A cet effet, le vérin 38 est monté à l'intérieur d'un manchon annulaire 39 au moyen d'une fixation 41, ce manchon étant centré sur l'axe longitudinal 12 et fixé axialement et tangentiellement sur l'arbre du rotor 22b.

Le vérin 38 est par ailleurs lié mécaniquement aux anneaux de synchronisation 30a, 30b au moyen d'une pluralité de bras de liaison 40a, 40b pour entraîner en rotation ces anneaux de synchronisation autour de l'axe longitudinal 12.

En liaison avec les figures 2k, 2B et 4, on décrira d'abord les bras de liaison 40a reliant le vérin 38 à l'anneau de synchronisation 30a de l'ensemble amont 24a.

Chaque bras de liaison 40a comprend une biellette axiale 42a qui est reliée à la tige 44 du vérin 38, une biellette radiale 46a qui est reliée à l'anneau de synchronisation 30a et un guignol de renvoi d'angle 48a qui relie Ia biellette axiale à la biellette radiale. Chaque bras de liaison comprend encore une biellette de renvoi 50 qui est intercalée entre le guignol de renvoi d'angle 48a et la biellette radiale 46a.

De façon plus précise, la biellette axiale 42a de chaque bras de liaison 40a est reliée à la cage externe 52 d'un palier à roulement 54. La cage interne 56 de ce dernier est montée sur un arbre du rotor 22b par l'intermédiaire de cannelures 58 et reliée à la tige 44 du vérin 38. Ce palier à roulement 54 supporte en rotation l'arbre du rotor 22b par rapport à un arbre du rotor 22a entraînant en rotation l'ensemble amont 24a. Par ailleurs, le guignol de renvoi d'angle 48a de chaque bras de liaison 40a est fixé de façon pivotante sur l'arbre du rotor 22a.

Avec un tel arrangement, on comprend aisément qu'un actionnement du vérin 38 va provoquer un déplacement longitudinal du palier à roulement 54 par glissement de sa cage interne 56 dans les cannelures 58. La biellette axiale 42a de chaque bras de liaison étant reliée à la cage externe de ce palier à roulement, elle va également se déplacer le long de l'axe longitudinal 12, faisant ainsi basculer le guignol de renvoi d'angle 48a autour de son point de fixation sur l'arbre du rotor 22a. Par l'intermédiaire de la biellette de renvoi 50, le basculement du guignol de renvoi d'angle 48a autour de son point de fixation va alors provoquer un déplacement de la biellette radiale 46a selon une direction sensiblement radiale. Cette cinématique est d'ailleurs illustrée sur les figures 2A et 2B qui représentent les deux positions extrêmes des différents éléments des bras de liaison 40a. Le dispositif de commande selon l'invention comporte encore des moyens pour convertir ce déplacement de la biellette radiale 46a des bras de liaison 40a en une rotation de l'anneau de synchronisation 30a autour de l'axe longitudinal 12.

A cet effet, comme représenté sur la figure 4, chaque bras de liaison 40a comprend en outre un autre guignol de renvoi d'angle 60a qui est fixé de façon pivotante sur l'anneau rotatif 28a et qui est relié, d'une part à la biellette radiale 46a, et d'autre part à une biellette tangentielle 62a, cette dernière étant fixée à l'anneau de synchronisation 30a. De la sorte, un déplacement de Ia biellette radiale selon une direction sensiblement radiale va entraîner un basculement du guignol de renvoi d'angle 60a autour de son point de fixation sur l'anneau rotatif, ce qui aura pour effet de déplacer Ia biellette tangentîelle selon une direction sensiblement tangentielle. II résulte de ce déplacement une mise en rotation (dans un sens ou dans l'autre) de l'anneau de synchronisation 30a autour de l'axe longitudinal. En liaison avec les figures 3 et 4, on décrira maintenant les bras de liaison 40b reliant le vérin 38 à l'anneau de synchronisation 30b de l'ensemble aval 24b.

Comme pour la commande de l'orientation des pales de l'ensemble amont, chaque bras de liaison 40b comprend ici une biellette axiale 42b qui est reliée à la tige 44 du vérin 38, une biellette radiale 46b qui est reliée à l'anneau de synchronisation 30b et un guignol de renvoi d'angle 48b qui relie la biellette axiale à la biellette radiale, ce guignol de renvoi d'angle étant fixé de façon pivotante sur un arbre du rotor 22b.

On comprend qu'un actionnement du vérin va ainsi provoquer un déplacement longitudinal de la biellette axiale 42b qui va faire basculer le guignol de renvoi d'angle 48b autour de son point de fixation sur l'arbre du rotor 22b. Le basculement du guignol de renvoi d'angle 48b va alors provoquer un déplacement de la biellette radiale 46b selon une direction sensiblement radiale. Cette cinématique est d'ailleurs illustrée sur la figure 3 où les deux positions extrêmes des différents éléments des bras de liaison 40b sont représentées en traits pleins et en traits pointillés.

Enfin, la conversion du déplacement de la biellette radiale 46b des bras de liaison 40b en une rotation de l'anneau de synchronisation 30b autour de l'axe longitudinal 12 est réalisée de façon similaire à celle décrite en liaison avec la figure 4. Comme représenté sur cette figure, chaque bras de liaison 40b comprend à cet effet un autre guignol de renvoi d'angle 60b qui est fixé de façon pivotante sur l'anneau rotatif 28b et qui est relié, d'une part à la biellette radiale 46b, et d'autre part à une biellette tangentîelle 62b, cette dernière étant fixée à l'anneau de synchronisation 30b. La cinématique est alors identique à celle décrite précédemment pour l'actionnement de l'ensemble amont.

On décrira maintenant des caractéristiques communes à la commande de l'orientation des pales de l'ensemble amont et de l'ensemble aval. Comme représenté sur les figures 2A et 2B, Ie vérin 38 permettant d'actionner les bras de liaison 40a, 40b est disposée dans une enceinte dans laquelle de l'huile est injectée au moyen d'un gicleur 64. Cette huile sert à lubrifier et refroidir les différents paliers à roulement, et notamment Ie palier 54 supportant en rotation les arbres des rotors 22a, 22b. Comme les bras de liaison 40a traversent l'enceinte à huile, la biellette radiale 46a de ces bras est guidée radïalement à son extrémité inférieure par des paliers étanches 68. La présence de paliers étanches n'est en revanche pas nécessaire pour le guidage des biellettes radiales 46b des bras de liaison 40b d'entraînement de l'anneau de synchronisation aval 30b (en effet, ces bras de liaison 40b ne traversent pas d'enceinte à huile).

En outre, les biellettes radiales 46a, 46b des bras de liaison 40a, 40b traversent radialement chacune un bras de carter 70a, 70b du turbopropulseur. Enfin, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention commune à la commande de l'orientation des pales de l'ensemble amont et de l'ensemble aval, le dispositif de commande comprend en outre des moyens pour donner une orientation prédéterminée aux pales en cas de défaillance du vérin. Comme représenté sur la figure 4, ces moyens sont réalisés par des masselottes 72 formant contrepoids. Ces masselottes 72 sont solidaires des guignols de renvoi d'angle 60a, 60b et ont une masse qui est calculée de façon à assurer un effort de traction sur les biellettes radiales 46a, 46b. Ainsi, en cas de défaillance du vérin 38, Ia force centrifuge induite par la masse des biellettes radiales 46a, 46b et de ces masselottes 72 va avoir tendance à faire pivoter le guignol de renvoi d'angle 60a, 60b autour de son point de fixation pour « ramener » l'anneau de synchronisation 30a, 30b dans une position prédéterminée. Par exemple, cette position prédéterminée peut correspondre à une mise en drapeau des pales 26 de soufflante.

Enfin, les figures représentent un exempte de configuration de turbopropulseur dans lequel l'ensemble de pales sur lequel est positionné le dispositif de commande selon l'invention comporte dix pales de soufflante 26, Dans une telle configuration, cinq bras de liaison 40a _# 40b régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal 12 du turbopropulseur peuvent permettre d'assurer Ie pivotement des anneaux de synchronisation 30a, 30b (ceux-ci ayant alors une forme de décagone).

De plus, l'invention a été décrite ci-dessus en liaison avec un turbopropulseur ayant une turbine contrarotative liée directement aux hélices. Bien entendu, l'invention s'applique également aux turbopropulseurs à double hélice dont les hélices sont entraînées par un réducteur à engrenages planétaires.