Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02619306 2014-05-09
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Turbopropulseur comportant une hélice formée de pales à orientation
réglable
L'invention se rapporte à un turbopropulseur comportant au
moins une hélice composée d'un ensemble de pales à orientation réglable,
commandé, l'orientation réglable des pales constituant l'un des
paramètres permettant de gérer la poussée du turbopropulseur.
L'invention concerne plus particulièrement un nouveau système de
commande d'orientation de ces pales.
On connaît, par exemple du brevet US 4 758 129, un turbo-
propulseur à deux hélices comprenant une turbine à deux rotors contra-
rotatifs entraînant respectivement les deux hélices formées, chacune, d'un
ensemble de pales à orientation réglable. L'invention s'applique
notamment à ce type de turbopropulseur d'avion. Par ailleurs, différents
mécanismes de commande d'orientation des pales sont connus. Par
exemple, un système connu comporte un vérin classique, agencé
axialement dans l'espace intérieur ménagé au centre de la turbine à veine
annulaire. Des liaisons mécaniques transmettent le mouvement de la tige
du vérin radialement jusqu'aux pales à orientation réglable.
Ces éléments de liaison sont complexes, encombrants, lourds et
coûteux. De plus, un seul vérin doit fournir les efforts à transmettre pour
l'orientation de toutes les pales d'un même ensemble, ce qui nécessite des
pressions d'actionnement élevées pour le vérin, compte tenu de la surface
nécessairement limitée du piston de ce vérin installé axialement. Cette
pression de commande élevée est préjudiciable à la longévité du vérin.
De plus, la maintenance est compliquée car les éléments vitaux
sont situés à l'intérieur du carter et plus particulièrement, pour certains, à
l'intérieur de la turbine. On ne peut les changer sans avoir à démonter la
turbine.
L'invention vise à surmonter tous ces inconvénients.
L'idée de base de l'invention consiste à utiliser un vérin rotatif
aux pieds de chaque pale, ledit vérin rotatif étant installé sur un support
tournant portant l'ensemble des pales constituant une hélice.
Plus précisément, l'invention concerne un turbopropulseur
comportant au moins un ensemble de pales rotatives à orientation
réglable, solidaire en rotation d'un support tournant, caractérisé en ce que
chaque pale dudit ensemble est couplée, pour le réglage de son
orientation, à un vérin rotatif hydraulique spécifique porté par ledit
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support tournant. Ce dernier est fixé à un rotor de turbine. De préférence,
la turbine comporte deux rotors contrarotatifs.
Avantageusement, le vérin rotatif est du type à double
commande et est piloté par deux circuits de fluide hydraulique sous
pression, la pression de fluide hydraulique de chaque circuit étant
réglable.
L'arbre rotatif dudit vérin rotatif peut ainsi être solidaire d'un
axe de rotation de la pale correspondante. Typiquement, l'axe de la pale
est dans le prolongement de l'arbre du vérin.
Par exemple, ledit vérin rotatif comporte un boîtier cylindrique à
l'intérieur duquel sont agencées plusieurs cavités adjacentes réparties
circonférentiellement autour dudit arbre. Chaque cavité renferme un
piston fixé à cet arbre qui partage ladite cavité en deux chambres. Les
chambres analogues de toutes les cavités sont reliées aux deux circuits de
fluide hydraulique sous pression, respectivement. On entend par chambres
analogues les chambres des cavités qui, lorsqu'elles sont remplies par du
fluide hydraulique dont la pression augmente, agissent sur les différents
pistons pour faire tourner l'arbre dans un même sens.
Avantageusement, l'arbre dudit vérin rotatif est couplé à un
système de verrouillage autobloquant.
Ce système de verrouillage peut comporter des moyens de
déblocage pilotés par une différence entre les pressions de fluide
hydraulique qui règnent dans les deux circuits précités.
Par exemple, ledit système de verrouillage comporte un boîtier
adjacent au corps du vérin rotatif, renfermant un double dispositif de
débrayage à disques, intercalé entre deux vérins à course rectiligne,
chaque vérin comportant un corps fixe par rapport audit vérin rotatif et
deux chambres reliées aux deux circuits précités. Le double dispositif de
débrayage, les vérins à course rectiligne et le vérin rotatif sont avantageu-
sement agencés selon un axe commun. Ils sont de préférence installés
dans un même boîtier solidaire du support tournant.
Selon une possibilité, ledit double dispositif de débrayage est
équipé de disques de friction.
Selon une autre possibilité, ledit double dispositif de débrayage
est équipé de disques coopérant par des liaisons de forme telles que par
exemple des nervures radiales formant une sorte de crabotage.
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L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-
ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre
d'un turbopropulseur conforme à son principe, donnée uniquement à titre
d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue générale en perspective d'un turbo-
propulseur conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique de principe d'un dispositif
de commande d'orientation de l'une des pales ;
- la figure 3 est une vue schématique de principe du vérin rotatif
de la figure 2 ; et
- les figures 4 et 5 sont des vues schématiques de principe du
dispositif de la figure 2 et illustrant le fonctionnement du système de
verrouillage autobloquant lorsqu'il est débrayé pour permettre la rotation
de la pale dans un sens ou dans l'autre, respectivement.
Sur les dessins, on a représenté un turbopropulseur 11
comportant, selon l'exemple, deux hélices 13a, 13b constituées chacune
d'un ensemble de pales 14 à orientation réglable. Les pales 14 de chaque
ensemble sont montées sur un support tournant 16a, 16b, par exemple en
forme de plateforme annulaire, lui-même monté en rotation au voisinage
de la surface d'un carter fixe 18. Les pales 14 de chaque ensemble sont
régulièrement espacées circonférentiellement et orientées globalement
radialement à la surface du support tournant. Le carter fixe 18 abrite une
chambre de combustion et une turbine à deux rotors contrarotatifs.
Chaque rotor porte et entraîne en rotation l'un des supports tournants
16a, 16b sur lequel est montée l'hélice 13a, 13b ayant des pales à
orientation réglable. L'orientation des pales permet de gérer la poussée du
turbopropulseur. La structure décrite jusqu'à présent est comparable,
fonctionnellement, à celle qui est décrite dans le brevet US 4 758 129. Ses
aspects connus ne seront pas décrits plus en détail.
L'invention porte essentiellement sur les moyens de commande
d'orientation des pales 14 d'au moins une hélice 13a, 13b. Typiquement,
chaque hélice est équipée de telles pales à orientation réglable.
Plus particulièrement, chaque pale comporte un axe de rotation
20 solidaire et dans le prolongement de l'arbre rotatif 21 d'un vérin rotatif
22 individuel. Comme le montre la figure 2, le vérin rotatif est couplé à un
système de verrouillage autobloquant 24. Par exemple, le vérin rotatif 22
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et le système de verrouillage autobloquant 24 sont installés coaxialement
à l'intérieur d'un même boîtier cylindrique 26 lui-même porté par le
support tournant 16a, 16b de l'hélice correspondante. Autrement dit,
chaque pale à orientation réglable fait saillie radialement au-delà d'un tel
boîtier cylindrique 26 porté par le support tournant.
Le vérin rotatif 22 est du type à double commande et est piloté
par deux circuits Cl, C2 de fluide hydraulique sous pression. La pression
de fluide hydraulique dans chaque circuit, P1 ou P2, respectivement est
réglable dans chaque circuit. On conçoit qu'une différence de pression P1
¨ P2 positive va entraîner la rotation du vérin dans un sens tandis qu'une
différence de pression P2 ¨ P1 positive va entraîner une rotation du vérin
dans l'autre sens. La figure 3 montre la structure du vérin rotatif. Celui-ci
comporte, dans un corps cylindrique 28 faisant partie du boîtier 26,
plusieurs cavités 30 adjacentes circonférentiellement autour de l'arbre
central. Dans l'exemple, on a prévu quatre cavités occupant chacune un
secteur de 900. Ces quatre cavités sont délimitées par des parois 32 fixes
à l'intérieur du corps cylindrique, les extrémités radiales internes des
parois étant montées à coulissement étanche le long de l'arbre central 21.
D'autre part, chaque cavité 30 renferme un piston 36 fixé à
l'arbre et partageant ladite cavité en deux chambres CP1, CP2. L'extrémité
radiale externe du piston 36 coulisse de façon étanche le long de la paroi
cylindrique de l'enceinte 28 du vérin. Les chambres analogues CP1, CP2
de toutes les cavités sont reliées aux deux circuits Cl, C2 de fluide
hydraulique sous pression, respectivement.
Le système de verrouillage autobloquant 24 comporte des
moyens de déblocage 38 pilotés par une différence entre les pressions de
fluide hydraulique dans les deux circuits Cl, C2 précités. Il est installé
dans le reste du boîtier 26, adjacent au corps 28 du vérin rotatif.
L'ensemble forme une unité de commande compacte installée sur le
support tournant, au pied de la pale 14 à orientation réglable. Le système
de verrouillage comporte un double dispositif de débrayage 40 à disques,
intercalé entre deux vérins 42, 44 à course rectiligne. Chaque vérin 42, 44
comporte un corps 46 fixe par rapport au vérin rotatif et deux chambres
reliées aux deux circuits Cl, C2 précités. Comme représenté, le double
système de débrayage, les vérins à course rectiligne et le vérin rotatif sont
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agencés selon un axe commun qui est aussi l'axe de rotation de la
pale 14.
Le dispositif de débrayage 40 comporte un double disque de
friction 50 muni de garnitures de friction 51 de part et d'autre d'une âme
médiane 52 et associé à des moyens d'immobilisation en translation
axiale 54 et deux disques de friction 57, 58 mobiles en translation et
situés de part et d'autre du double disque 50. Ces disques 57, 58 mobiles
en translation sont reliés à des pistons 67, 68 des deux vérins 42, 44 à
course rectiligne, respectivement. Chacun de ces pistons comporte une
cavité 70 et coulisse à l'intérieur du corps de vérin. Une paroi d'extrémité
72 fixée audit double disque central est montée à coulissement à
l'intérieur de cette cavité 70.
Le corps 46 du vérin 42 le plus proche du vérin rotatif 22 est
fixé à la paroi du boîtier 26 qui sépare le vérin rotatif du système de
verrouillage autobloquant 24. Le corps 46 du vérin opposé 44 est fixé à
une paroi opposée de ce boîtier. Une glissière à cannelure 74 relie la paroi
transversale du piston 67 à un arbre qui prolonge vers l'intérieur l'arbre 21
du vérin rotatif. Une glissière à cannelure 76 semblable relie la paroi
transversale du piston de l'autre vérin 44 à la paroi du boîtier 26. Par
conséquent, la pale peut tourner avec le disque 57 associé au piston 67
du vérin 42 tandis que le disque 58 associé au piston 68 de l'autre
vérin 44 est bloqué en rotation.
Enfin, un ressort 78 est installé dans le corps de chaque vérin
pour solliciter le piston 67 ou 68 solidaire du disque mobile 57 ou 58
correspondant vers ledit double disque central 50.
On comprend que chaque vérin 42, 44 comporte ainsi deux
chambres de volume variable. Une chambre 80 est limitée par le corps 46
du vérin et la paroi transversale du piston et l'autre chambre 82 est limitée
par la cavité 70 du piston lui-même et la paroi d'extrémité 72 fixée au
double disque central 50.
Comme représenté sur la figure 2, la chambre 80 du vérin 42,
contenant le ressort 78, est connectée au circuit Cl de fluide hydraulique,
de pression P1 tandis que la chambre 80 du même vérin est reliée au
circuit C2 de fluide hydraulique, de pression P2. Inversement, la
chambre 80 du vérin 44, abritant le ressort 78, est reliée au circuit C2 de
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fluide hydraulique de pression P2 tandis que l'autre chambre 82 est reliée
au circuit Cl de fluide hydraulique, de pression P1.
Ainsi, les ressorts 78 sont installés dans les corps correspon-
dants des deux vérins pour solliciter ledit piston 67 ou 68 solidaire du
disque 57 ou 58 correspondant, vers le double disque central 50. Comme
les disques sont munis de garniture de friction, lorsque les pressions P1 et
P2 sont égales, les ressorts 78 via les pistons, maintiennent les disques
57, 58 en application contre ledit double disque central. Comme le piston
68 du vérin 44 est immobilisé en rotation, la pale 14 ne peut tourner. C'est
la situation illustrée sur la figure 2.
Le fonctionnement est le suivant. Lorsque les pressions P1 et P2
sont égales, le système de verrouillage autobloquant est immobilisé sous
la force des ressorts 78 et aucune différence de pression ne s'exerce à
l'intérieur du vérin rotatif 22. L'orientation de la pale est donc stabilisée.
Si on commande une différence de pression P1 > P2, le disque
57 reste appliqué contre le double disque central 50 mais le piston 68 de
l'autre vérin 44 se déplace en comprimant le ressort, ce qui se traduit par
une séparation entre le disque 58 et le double disque central 50. En
conséquence, le piston 67, le disque 57 et le double disque central 50
peuvent tourner conjointement en même temps que la même différence
de pression engendre un mouvement de rotation (dans le sens inverse des
aiguilles d'une montre en considérant la figure 3) de l'arbre 21 du vérin
rotatif 22, ce qui se traduit par un changement d'orientation de la pale.
Inversement, lorsqu'on commande une pression P2 > Pl, la
chambre 80 du vérin 42 augmente de volume, ce qui se traduit par une
séparation entre le disque 57 et ledit double disque central 50.
Parallèlement, la même différence de pression engendre dans le vérin
rotatif un déplacement rotatif (dans le sens des aiguilles d'une montre en
considérant la figure 3) de l'arbre 21. La pale tourne alors dans l'autre
sens.
Comme mentionné précédemment, les garnitures de friction des
disques peuvent être remplacées par des liaisons de forme telles que des
nervures radiales procurant le même effet de blocage en rotation des
disques, sous l'effet des ressorts.
