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CA 02547025 2006-05-16
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Système de commande d'étages d'aubes de stator à angle de
calage variable de turbomachine.
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la
commande d'étages d'aubes à angle de calage variable d'une
turbomachine.
Dans une turbomachine, il est connu d'utiliser un ou plusieurs
étages d'aubes de stator pour ajuster le flux et la direction d'écoulement
des gaz traversant la section de compression en fonction du régime de
fonctionnement de la turbomachine. Ces étages d'aubes de stator
comportent chacun une pluralité d'aubes (appelées aubes à calage
variable) qui peuvent pivoter autour de leur axe de liaison au stator de
manière à ce que leur angle de calage puisse être modifié en fonction du
régime de fonctionnement de la turbomachine.
Les dispositifs connus pour la commande d'un étage d'aubes à
calage variable comportent habituellement un organe de commande sous
forme d'un anneau entourant le carter de la turbomachine et une pluralité
de biellettes ou leviers, chaque biellette ayant une première extrémité
reliée à l'anneau de commande par une articulation et une deuxième
extrémité montée sur le pivot d'une aube respective. Un vérin de
manoeuvre est relié à l'anneau de commande afin d'entraîner en rotation
ce dernier autour de l'axe de la turbomachine. La rotation de l'anneau
autour de l'axe de la turbomachine entraîne une modification synchronisée
de la position angulaire des aubes de l'étage.
Lorsqu'il s'agit de commander de façon synchronisée deux
étages d'aubes à calage variable qui sont décalés axialement, il est
également connu d'utiliser une barre de synchronisation pour transmettre
le mouvement de rotation de l'anneau entraîné par le vérin de manoeuvre
à l'anneau de commande de l'autre étage. Cette transmission de
mouvement s'effectue par l'intermédiaire de renvois montés de façon
pivotante sur le carter de la turbomachine et reliés d'une part à la barre
de synchronisation et d'autre part aux anneaux de commande.
Ce système de commande génère des mouvements sur les
différents étages commandés représentables sous la forme de courbes qui
montrent l'angle de calage des aubes de l'étage suiveur en fonction de
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l'angle de calage des aubes de l'étage pilote. Avec le type de système de
commande précédemment décrit, ces courbes, appelées courbes de
corrélation, présentent une évolution à pente progressive. Aussi, ce type
de système de commande n'autorise que des commandes simples des
étages d'aubes.
Or, il est devenu de plus en plus fréquent que les exigences
aérodynamiques pour la commande des calages d'aubes nécessitent des
lois de commande plus complexes. Ces commandes se traduisent
notamment par des courbes de corrélation dont l'évolution n'est pas
simplement à pente progressive mais comporte également des portions de
courbes s'apparentant à des sinusoïdes.
Le document EP 0 909 880 décrit un dispositif de calage variable
permettant d'obtenir des lois de commande non linéaires. Dans ce
dispositif, chaque biellette de l'étage pilote est reliée à l'anneau de
commande correspondant par une liaison à rainure et ergot coulissant
dans la rainure. Ce système de commande n'est cependant pas
satisfaisant car il ne permet pas de reproduire toutes sortes de lois de
commande.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels
inconvénients en proposant un système de commande qui permet de
réaliser tout type de loi de calage des aubes, quelle que soit sa
complexité.
A cet effet, il est prévu un système de commande de deux
étages d'aubes de stator à angle de calage variable de turbomachine,
chaque étage étant formé d'une pluralité d'aubes qui sont montées
chacune de façon pivotante sur un carter de la turbomachine et d'un
anneau de commande entourant le carter et relié à chacune des aubes de
l'étage par l'intermédiaire de leviers, le système de commande comportant
un élément de manoeuvre pour entraîner en rotation l'anneau de
commande de l'un des étages par l'intermédiaire d'un organe pilote monté
de façon pivotante sur le carter, et une barre de synchronisation pour
transmettre le mouvement de rotation de l'anneau entraîné par l'élément
de manoeuvre à l'anneau de commande de l'autre étage par
l'intermédiaire d'un organe suiveur monté de façon pivotante sur le carter,
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caractérisé en ce qu'il comporte en outre un organe pivotant
supplémentaire intercalé entre l'organe suiveur et l'anneau suiveur, ledit
organe pivotant supplémentaire étant monté de façon pivotante sur
l'organe suiveur et relié au carter par un galet coulissant dans une rainure
solidaire du carter.
Par anneau suiveur, on entend l'anneau de commande qui est
entraîné en rotation par l'intermédiaire de l'organe suiveur.
Selon une disposition avantageuse de l'invention, la rainure
présente une forme et une direction déterminée pour compenser des
écarts de trajectoire entre une loi de calage souhaitée et une loi de calage
nominale. Par loi de calage nominale, on entendu une loi de calage dont la
courbe de corrélation à pente progressive serait obtenue par un système
de commande conventionnel dépourvu d'organe pivotant supplémentaire.
L'organe pivotant supplémentaire constitue un élément de
guidage différentiel n'intégrant que les écarts de trajectoire par rapport à
la loi de calage nominale. En d'autres termes, le galet du système selon
l'invention n'a à absorber comme dénivelé que la différence existant entre
la loi de calage souhaitée et la loi de calage nominale. De la sorte, le
système de commande permet d'obtenir des lois de calage des aubes qui
seraient irréalisables avec les systèmes de commande traditionnels.
Selon une autre disposition avantageuse de l'invention, l'organe
pivotant supplémentaire comporte un premier bras relié à l'anneau suiveur
par l'intermédiaire d'une première bielle de commande et un second bras
relié au carter par le galet.
Selon encore une autre disposition avantageuse, l'organe
suiveur comporte un premier bras relié de façon pivotante à l'organe
supplémentaire et un second bras relié à une extrémité de la barre de
synchronisation. Dans ce cas, l'organe pilote comporte un premier bras
relié à l'anneau de l'étage pilote par l'intermédiaire d'une seconde bielle de
commande, un deuxième bras relié à l'extrémité de la barre de
synchronisation opposée à celle reliée à l'organe suiveur et un troisième
bras relié à l'élément de manoeuvre.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
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annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue partielle et en perspective du système
de commande selon un mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 2A et 2B montrent le système de commande de la
figure 1 selon deux positions différentes ; et
- la figure 3 est une courbe de corrélation montrant une loi de
calage possible obtenue par le système de commande de l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Sur la figure 1 sont représentés partiellement deux étages 10,
10' d'aubes à calage variable appartenant, par exemple, à un compresseur
de turbomachine. Le compresseur comporte une enveloppe annulaire de
stator 12 (ou carter) qui est centrée sur l'axe X-X de la turbomachine. Les
étages 10, 10' d'aubes sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre.
Chaque étage se compose d'une pluralité d'aubes 14, 14'
disposées radialement autour de l'axe X-X de la turbomachine. Les aubes
14, 14' sont pivotantes autour d'un axe 16, 16' (ou pivot) qui traverse le
carter 12.
Chaque pivot 16, 16' des aubes à calage variable 14, 14' est
relié à une extrémité d'une biellette ou levier de commande 18, 18' dont
l'autre extrémité est articulée autour de tourillons 20, 20' disposés
radialement sur un anneau de commande 22, 22'.
Les anneaux de commande entourent le carter 12 et sont
centrés sur l'axe X-X de la turbomachine. La modification synchronisée de
la position angulaire des aubes 14, 14' est ainsi réalisée par rotation des
anneaux de commande respectifs 22, 22' autour de l'axe X-X de la
turbomachine.
Le système selon l'invention permet de commander de façon
synchronisée la rotation des anneaux de commande 22, 22' autour de
l'axe X-X de la turbomachine. Il comporte un élément de manoeuvre 24 de
type vérin fixé au carter 12 pour entraîner en rotation l'anneau de
commande 22 de l'un des étages 10 par l'intermédiaire d'un organe pilote
26 de type renvoi qui est monté de façon pivotante sur un boîtier 28 du
carter 12 de la turbomachine.
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Une barre de synchronisation 30 permet de transmettre le
mouvement de rotation de l'anneau 22 entraîné par le vérin 24 (appelé
anneau pilote) à l'anneau 22' de l'autre étage 10' (appelé anneau suiveur)
par l'intermédiaire d'un organe suiveur 26' de type renvoi qui est monté
5 également de façon pivotante sur le boîtier 28 du carter 12.
Des bielles de commande 32, 32' de type ridoirs à vis assurent
la transmission du mouvement des renvois pilote 26 et suiveur 26' aux
anneaux 22, 22'. Ces bielles s'étendent tangentiellement aux anneaux sur
lesquels elles sont fixées par l'intermédiaire de chapes de liaison 27, 27. A
leur extrémité opposée, les bielles 32, 32' sont fixées à des bras (ou
branches) respectifs 34, 36 des renvois pilote 26 et suiveur 26' en leur
étant articulées.
La barre de synchronisation 30 du système de commande unit
deux autres bras respectifs 38, 40 des renvois pilote 26 et suiveur 26' en
leur étant articulée. Quant au vérin 24, il est articulé à un troisième bras
42 du renvoi pilote 26 opposé au bras 34 sur lequel est fixée la bielle 32.
Le système de commande selon l'invention comporte en outre
un organe pivotant supplémentaire 44 (ou renvoi supplémentaire) qui est
intercalé entre l'organe suiveur 26' et l'anneau suiveur 22. Ce renvoi
supplémentaire est monté de façon pivotante sur le renvoi suiveur 26' et
relié au carter 12 par un galet 46 coulissant dans une rainure 48 solidaire
du carter.
Plus précisément, le renvoi supplémentaire 44 comporte un
premier bras 50 dont une extrémité est reliée à la bielle 32' de commande
de l'anneau suiveur 22' en lui étant articulée et l'autre extrémité est
montée de façon pivotante sur l'organe suiveur 26'. Le renvoi
supplémentaire comporte également un second bras 52 dont une
extrémité est montée de façon pivotante sur l'organe suiveur 26,
l'extrémité opposée étant muni du galet 46. Le premier 50 et le second
bras 52 du renvoi supplémentaire sont fixes l'un par rapport à l'autre. En
d'autres termes, l'angle existant entre ces deux bras 50, 52 est fixe et
constant. Le galet 46 coulisse dans une rainure 48 ayant un trajet
prédéterminé et formé dans un support 54 qui est fixé sur le carter 12 de
la turbomachine.
Comme illustré sur les figures 2A et 2B, le mouvement du
système de commande est le suivant : l'actionnement du vérin 24
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provoque une rotation du renvoi pilote 26, et une autre du renvoi suiveur
26' par l'intermédiaire de la barre de synchronisation 30. La rotation des
renvois 26, 26' autour de leur point de pivotement sur le carter 12
entraîne à leur tour les bielles 32, 32' respectives qui font alors tourner
dans un sens ou dans l'autre les anneaux 22, 22' autour de l'axe X-X de la
turbomachine. Comme indiqué précédemment, la rotation des anneaux
provoque une modification synchronisée de la position angulaire des
aubes 14, 14' de chaque étage 10, 10' par l'intermédiaire des leviers de
commande 18, 18'.
Par ailleurs, la rotation du renvoi suiveur 26' entraîne une
rotation du renvoi supplémentaire 44 autour de son axe de pivotement sur
le renvoi suiveur. Cette rotation a pour effet que le galet 46 coulisse dans
la rainure 48, provoquant ainsi un déplacement du bras 52 du renvoi
supplémentaire 44 sur lequel est monté le galet. Le déplacement de ce
dernier meut alors l'autre bras 50 du renvoi supplémentaire auquel est
reliée la bielle 32'.
On comprend ainsi que du trajet prédéterminé de la rainure 48
dans laquelle coulisse le galet 46 dépend le déplacement de l'anneau
suiveur 22', et donc la loi de calage des aubes 14' de l'étage suiveur 10'.
En d'autres termes, la forme et la direction de la rainure modifient la loi de
calage des aubes de l'étage suiveur, et donc la courbe de corrélation
donnant l'angle de calage des aubes 14' de l'étage suiveur 10' en fonction
de l'angle de calage des aubes 14 de l'étage pilote 10.
En se référant à la figure 3, on décrira maintenant la façon dont
la forme et la direction de la rainure 48 sont prédéterminées. Cette figure
représente des courbes de corrélation 100, 102, c'est-à-dire des courbes
donnant l'angle de calage des aubes 14' de l'étage suiveur 10' (en degré)
en fonction de l'angle de calage des aubes 14 de l'étage pilote 10 (en
degré).
La courbe de corrélation 100 (en traits pleins) est celle qui doit
être appliquée au calage des aubes des deux étages afin de répondre aux
exigences aérodynamiques. Cette courbe est complexe ; elle comporte
notamment des portions de courbes s'apparentant à des sinusoïdes.
A partir de cette courbe de corrélation, il est possible de choisir
la courbe de corrélation nominale 102 (en traits discontinus) à pente
progressive qui est la plus proche de la courbe de corrélation 100 à
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appliquer. La loi de calage basée sur une telle courbe nominale peut être
facilement obtenue par un système de commande connu de l'art antérieur
comportant des renvois suiveur et pilote et une barre de synchronisation
reliant ces renvois et dans lequel la bielle de commande de l'anneau
suiveur est reliée directement à l'un des bras du renvoi suiveur. En
fonction de la position relative des renvois pilote et suiveur, ce type de
système de commande donne des lois de calage connues dont les courbes
de corrélation sont plus ou moins progressives (parfois linéaires). Parmi
ces courbes nominales connues, le choix de la courbe la plus proche
s'effectue alors par un simple calcul (graphique ou numérique) de
moyennes, la courbe ayant les écarts les plus faibles avec la courbe à
appliquer sur toute la plage angulaire étant considérée comme la plus
proche.
La forme et la direction de la rainure du renvoi supplémentaire
sont alors calculées en fonction des écarts e existant sur toute la plage
angulaire entre la courbe de corrélation 100 à appliquer et la courbe de
corrélation nominale 102 de sorte que le galet compense ces écarts. Ce
calcul peut être réalisé par une méthode graphique ou numérique. On
notera qu'à une rainure ayant une forme simple en arc de cercle
correspond une courbe de corrélation à appliquer confondue avec la
courbe de corrélation nominale choisie.
De préférence, la forme et la direction de la rainure du renvoi
supplémentaire devront être telles qu'elles empêcheront que le galet porté
par le renvoi supplémentaire ne se trouve sur un arc de cercle de façon à
éviter toute position instable du galet, et donc du calage des aubes.
Le système de commande selon l'invention comporte donc un
élément de guidage différentiel n'intégrant que les écarts de trajectoire
entre la courbe de corrélation à appliquer et une courbe de corrélation
nominale. Il est ainsi aisé de reproduire tout type de loi de calage, quelle
que soit sa complexité. L'avantage de l'invention réside notamment dans
le fait que l'on ne cherche pas à obtenir une courbe de corrélation par
l'utilisation directe d'un guidage par came mais par l'utilisation d'un galet
qui ne reproduit que les écarts de trajectoire par rapport à une courbe de
corrélation nominale.
On notera que l'invention pourrait également être mise en
oeuvre pour la commande d'un plus grand nombre d'étages d'aubes grâce
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à autant de barres de synchronisation. Suivant les dispositifs choisis, ces
barres seraient soit successives, c'est-à-dire relier des renvois adjacents,
soit parallèles entre elles pour s'étendre jusqu'à un renvoi commun.
