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WO2011098712A1 - Ensemble avec dispositif de commande par cremailleres de la position angulaire d'aubes pivotantes de turbomachine - Google Patents

Ensemble avec dispositif de commande par cremailleres de la position angulaire d'aubes pivotantes de turbomachine Download PDF

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Publication number
WO2011098712A1
WO2011098712A1 PCT/FR2011/050236 FR2011050236W WO2011098712A1 WO 2011098712 A1 WO2011098712 A1 WO 2011098712A1 FR 2011050236 W FR2011050236 W FR 2011050236W WO 2011098712 A1 WO2011098712 A1 WO 2011098712A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ring
rack
guide
radial
blade
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2011/050236
Other languages
English (en)
Inventor
Eric Jacques Boston
Michel André BOURU
Laurent Jablonski
Philippe Gérard Edmond JOLY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA SAS filed Critical SNECMA SAS
Priority to US13/578,765 priority Critical patent/US9068574B2/en
Priority to GB1213488.8A priority patent/GB2489878B/en
Publication of WO2011098712A1 publication Critical patent/WO2011098712A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F04D29/36—Blade mountings adjustable
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
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    • B64C11/32—Blade pitch-changing mechanisms mechanical
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    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to an assembly comprising an actuating ring, a plurality of pivoting vanes distributed azimutally around a first axis, and a control device for controlling the angular position of said pivoting vanes.
  • a stage of pivoting vanes in a turbomachine, can be controlled by means of an actuating ring. When it rotates along the axis of the turbomachine relative to the rotor structure which supports the blades, this rotation causes a pivoting of the blades which take a desired angular position.
  • a control device of this type is disclosed by the patent application EP1953084.
  • the invention is more particularly an assembly equipping a turbomachine whose blades are called to rotate at a high rotational speed (for example, at 1000 rpm or more), and / or to operate at high temperature.
  • a device for controlling turbine engine pivoting vanes transmits to the vanes the angular position control by means of bevel gears, arranged inside a polygonal ring supporting the vanes.
  • bevel gears arranged inside a polygonal ring supporting the vanes.
  • the object of the invention is therefore to provide an assembly comprising an actuating ring, a plurality of pivoting vanes distributed azimuthally about a first axis, and a control device for controlling said plurality of pivoting vanes by means of the actuating ring, each of said vanes having a toothing;
  • the blade control device is capable of controlling the angular position of the pivoting vanes reliably, occupies a relatively small volume, in particular upstream of the polygonal ring (or equivalent means) supporting the blades; and finally, is able to operate in a wide range of temperatures, and / or at high rotational speeds.
  • said assembly comprises racks mounted on the crown
  • each rack is meshed with the toothing of one of the blades to place the latter in a selected angular position
  • each rack is held in the radial direction by radial positioning means fixed to the blade;
  • each rack is mounted on the ring by means of a plurality of guides spaced along the circumference of the ring, linking the movements of the rack in the circumferential direction to those of the ring, and able to slide on the one hand by relative to the crown, for each guide in the radial direction which is specific to it, and secondly with respect to the rack, in a direction of substantially radial movement specific to the rack.
  • the term 'azimuth' means 'in a plane perpendicular to the axis considered', that is to say in the present case, a plane perpendicular to the first axis (which corresponds to the axis of the turbomachine, when the invention is integrated in a turbomachine).
  • the pivoting vanes whose angular position is controlled by the control device according to the invention may or may not be distributed angularly in a regular manner around the axis of the turbomachine.
  • the invention can be implemented in different ways.
  • all the blades arranged azimutally and forming a blade wheel are driven and controlled angularly by the actuating ring.
  • the latter in turn is driven by drive crown control means, for example by a jack controlled by an electronic control unit.
  • an objective of the invention may notably include allowing the blade to be pivoted, even though the blade interior space is too small to allow the control of all of those by means of bevel gears arranged inside the polygonal ring supporting the blades.
  • a portion of the blades are driven by gears or equivalent means located (s) inside the support ring of the blades.
  • These blades are called driving blades, insofar as in their turn they drag the rest of the blades, called driven blades.
  • the angular position of the blades is controlled angularly by first control means , for example by sprockets located inside the blade support ring, the rest of the vanes, that is to say the blades which are not controlled by the first control means, constitutes the second group of blades, "driven blades".
  • the angular position of the driven blades is controlled by the control device of an assembly according to the invention.
  • the control device comprises means for coupling between the driving blades and the actuating ring. These coupling means ensure that each change of angular position of the driving blades causes a corresponding rotation of the actuating ring.
  • these coupling means may comprise racks identical to those fitted to the blades of the second group of blades, meshing with corresponding teeth of the driving blades. Since all the racks are connected to the driving ring, it follows that the movement in the circumferential direction communicated to the actuating ring is common to all the racks and is therefore transmitted to all the vanes. .
  • the actuating ring in this case is a synchronizing ring, which synchronizes the pivoting movements of all the vanes of the impeller.
  • a first characteristic of the invention consists in the fact that each pivoting blade is actuated by means of a toothing, which meshes with a corresponding toothing of a rack.
  • the racks are mounted on the actuating ring by means of guides.
  • the guides are parts or sets of parts that provide a connection between the actuating ring and the rack.
  • the guides rotate the crown and the rack in rotation, whereby all rotation of the actuating ring relative to the rotor structure is transmitted to the racks (an extremely small gap remains possible because of the sliding possibilities of the guides relative to the rack).
  • the teeth of a blade can be here a toothing formed directly on the blade, or a toothing formed on a piece fixed to the blade.
  • the indication that the rack is mounted on the ring may designate a rack mounted on any surface of the ring, whether it is a radially outer surface (this is the preferred solution because the congestion problems are less), a "slice" surface of the rack, whose normal is approximately parallel to the axis of rotation of the turbine engine, or even a radially inner surface to the actuating ring .
  • the most interesting feature of the invention lies in the connection mode between the racks and the actuating ring. It has indeed been found during the design of the invention that the rack can not be attached to the actuating ring or be part of it: On the contrary, it is essential to ensure a possibility of relative radial movement between the rack and the crown, to ensure reliable operation of the angular control device of the blades.
  • the assemblies according to the invention comprise in particular control devices (in particular in particular on board aircraft) controlling pivoting vanes called to reach speeds of rotation and / or to be subjected to high temperatures.
  • these devices are thus subjected on the one hand to centrifugal forces related to the rotation of the rotor of the turbomachine, and / or on the other hand, to significant thermal variations which cause expansions of the various parts involved.
  • the reliable operation of the control device requires a very precise meshing of the toothing of the actuating ring with the corresponding toothing of the blade. It is therefore imperative that the teeth have exactly the same pitch. Therefore, an increase in the pitch of the toothing of the actuating ring can not be accepted, when the toothing of the pivoting blade, for its part, keeps a constant pitch.
  • the angular displacements of the ring gear with respect to the rotor structure are not transmitted at dawn directly from a toothing of the ring gear, but are transmitted via racks mounted on the crown, mounted in the manner indicated above.
  • the mounting mode of the racks on the ring allows that the pitch of the teeth of the racks remains constant, even at high rotational speeds of the rotor or in case of large temperature variations.
  • each section individually, naturally undergoes centrifugal forces.
  • the centrifugal forces themselves cause almost no elongation of the racks in the circumferential direction.
  • connection between the racks and the ring is such that an elongation of the ring in the circumferential direction, resulting from its overall expansion, does not communicate with the racks, and thus no constraint circumferential is transmitted to the racks by the crown via the guides.
  • the guides are able to slide relative to the ring, when it undergoes an overall expansion, the guides remain in a fixed position (relative to the blade), regardless of the radial expansion of the crown. Also, this radial expansion (or contraction) of the crown causes no change in the pitch of the teeth of the racks.
  • the second reason that makes it necessary for the rack to have a degree of freedom with respect to the actuating ring is the deformation experienced by the rotor structure during rotation. This deformation occurs at the blade pivot points, which move radially under the effect of the traction exerted by the blades and resulting considerable centrifugal forces exerted on them.
  • the actuating ring generally having a form of revolution, does not undergo such deformation.
  • the difference in radial displacement between the blade pivot and the actuating ring causes a radial displacement between the blade pivot and the crown.
  • the respective teeth of the rack and dawn must remain at all times facing each other, especially in the radial direction, to be able to perform their function reliably and sustainably.
  • control device of an assembly according to the invention therefore provides that the radial position of the rack is linked to that of the blade pivot.
  • the mounting means of the rack on the actuating ring fix five of its six degrees of freedom of movement relative to the ring, only a displacement in a substantially radial direction remaining possible.
  • the direction of movement of each rack is parallel to the axis of the blade. This is naturally the dawn whose teeth are meshed with the rack. Indeed, the previously indicated deformation of the rotor structure results from the forces transmitted by the blades. These forces apply to the rotor structure at the location of the blade pivots and in the radial direction at these points. Also, the direction of movement, which is that of the movement that must perform the rack to accompany the deformation of the rotor structure, is preferably parallel to the direction of the axis of the blade associated with the rack.
  • At least one of the guides has a ring guide rod slidably engaged in a ring guide passage formed in the ring in a radial direction for the guide.
  • a radial direction for the guide here designates a direction radial with respect to the axis of the turbomachine at the location of the guide, for example the radial direction at the center of gravity of the guide.
  • the ring guide rod is a profiled bar, which allows particularly simple radial relative movement of the actuating ring relative to the guide, and therefore, relative to the rack, without generating circumferential stress on the rack . It may have a circular section, but also more generally have any section.
  • At least one of said guides comprises a section guide rod, slidably engaged in a section guide passage arranged in the direction of movement of the rack in question.
  • the section guide rod is a profiled bar, which allows a very simple way to allow the guide to ensure its guide function of the rack, while allowing the movement thereof in the direction of movement.
  • the section guide rod may have a circular section, but also more generally have any section.
  • a guide may comprise, for example, several parallel bars for guiding the rack.
  • a non-zero angle is formed (almost always) between the section and ring guide rods. This angle is the angle formed between the direction of movement (relative to the rack) and the radial direction for the guide. This angle is generally low, for example less than 10 °.
  • a guide includes both a ring guide rod and a section guide rod
  • the guide is a piece formed by the ring guide rod, the section guide rod. , and a junction portion connecting the ring and stub rods.
  • This is usually a single piece, although it can also be an assembly.
  • the joining part may in particular be a connecting block, connecting the ring and stub rods.
  • the joining portion may comprise in particular an antirotation function of the guide relative to the crown, in particular to maintain the guides in the desired position, even in the absence of the rack.
  • the control device comprises rotational locking means arranged on the ring, adapted to prevent rotation of a first guide relative to the ring around a radial direction. These locking means can be integrated in the actuating ring or fixed thereto. These rotational locking means serve to facilitate the mounting of the rack on the actuating ring.
  • the first guide has a flat perpendicular to the axis of the turbomachine, and the ring has a flat surface arranged near said flat so as to prevent rotation of the guide around a radial direction .
  • the locking in rotation can be achieved by using lateral surfaces of the joining part. arranged so as to be perpendicular to the direction of the axis of the turbomachine.
  • control device comprises at least one guide bearing, such as a ball cage, disposed in one of said passages for sliding in said passage of the rod extending in said passage.
  • a guide bearing is used in particular to minimize the friction forces transmitted between the actuating ring and the rack, which is desirable to allow optimal positioning of the racks relative to the ring, and thus improve the operation of the device. ordered.
  • control device further comprises a damping system in radial abutment of said bearing.
  • the radial positioning means comprise, for each blade, an arcuate rib, of radial axis, arranged in a device for attaching and pivoting the blade, and engaged in a groove of the rack meshed with the blade to impose on said rack a radial position (that is to say, so tiny that the rib imposes a radial position to the rack geared with dawn).
  • the attachment and pivot device of the blade is the part or the assembly of parts located at the end of the blade located on the side of the blade pivot and ensuring the connection between the profiled portion of the blade and the rotor structure.
  • the rib secured to the base of the blade has an arcuate shape, with the same axis as the pivot axis of the blade, which allows its interaction with the rack is not changed, whatever the angular position adopted by dawn.
  • the rib transmits a force to the rack in the radial direction, which imposes on the rack a radial position.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising an assembly comprising an actuating ring, a plurality of pivoting vanes distributed azimutally about an axis of the turbomachine, and a control device for controlling the angular position of said pivoting vanes; each of said vanes having a toothing; turbomachine whose control device is able to operate, even if said blades undergo significant thermal variations and / or are driven at a high rotational speed.
  • the assembly that comprises the turbomachine is an assembly as defined above.
  • the invention can be implemented in a turbomachine in which the blades controlled by the control device are blades whose radially outer end is free.
  • the invention therefore particularly relates to turboprop engines.
  • FIG. 1 is a schematic overview of a turbomachine according to the invention.
  • FIG. 2 is a partial schematic view of the control device of an assembly according to the invention.
  • FIG. 3 is an exploded partial perspective view of the control device of FIG. 2;
  • - Figures 4, 5 and 6 are sections along the axis of rotation of the control device of Figure 2, respectively in operation at moderate speed, high speed and stopped;
  • FIG. 7 is a partial schematic perspective view of the actuator ring of the control device of Figure 2, with two guides;
  • FIG. 8 is a partial diagrammatic perspective view of the control device of FIG. 2.
  • the turbomachine 10 shown in FIG. 1 comprises a nacelle 12, as well as two rotors 20 and 22 designed to rotate about an axis of rotation A of the turbomachine 10.
  • Each of these rotors 20 and 22 has a plurality of pivoting vanes 30, respectively fixed on structures or housings 31 and 33 of the rotors 20 and 22.
  • the vanes 30 are thus arranged in two rows of vanes, placed one behind the other in the direction of movement of the rotor, and provided to rotate in opposite directions, contrarotatively.
  • Each of the pivoting vanes 30 is a blade which extends radially with respect to the axis A of rotation of the turbomachine 10, said axis of the turbomachine.
  • the radially outer ends of each blade 30 are free.
  • Each of these blades 30 can pivot about its axis in order to modify its interaction with the flow of air passing around the turbomachine 10 in the general direction of the axis A.
  • the blades 30 are all identical, and are arranged at angular positions regularly distributed on the periphery of the rotor.
  • the turbomachine 10 comprises a control device for controlling the angular position or the orientation of the blades 30.
  • This control device comprises an actuating ring 40 arranged in the rotor (FIG. 2).
  • This actuating ring 40 is controlled by control and actuation means, not shown, in a known manner.
  • the crown 40 can move in rotation about the axis A to transmit angular position (or orientation) control to the blades 30.
  • the actuating ring 40 has a generally annular shape and is arranged so that its axis coincides with the axis A of the rotor.
  • On the outer surface 42 of the actuating ring are mounted a set of racks 50, one rack 50 opposite each blade 30 whose angular position must be controlled. These racks 50 serve to transmit the rotation control of the actuating ring to the blades 30.
  • Each vane 30 is fixed to the rotor structure by a vane attachment and pivoting device 32.
  • Each vane attachment and pivoting device 32 is fixed to the rotor structure 31 by at least one bearing. shown, which allows the dawn to rotate around its axis B.
  • Each blade attachment and pivoting device 32 comprises an orientation plate 35, having substantially the shape of a disk B axis, a portion of the periphery is occupied by a toothing 34.
  • This plate 35 comprises a slot provided to receive and fix the foot of the blade 30, by cooperation of form.
  • the toothing 34 is positioned on the periphery of the plate 35 so that in the average angular position of the blade, the point of contact provided between the plate 35 and the rack 50 is directed towards the front of the turbomachine, following the axis A of this one.
  • each rack 50 has substantially the shape of a portion of ring or arc of circle, having as axis the axis A of the turbomachine.
  • Each rack 50 has a toothing 52 which extends over a surface of the rack directed towards the rear of the turbomachine.
  • the respective teeth 34 and 52 of the blade attachment and pivoting device 32 and the rack 50 face each other and are arranged to mesh together like conical gears.
  • a rotation about the axis A of the actuating ring 40 causes a rotation about their radial axes B of the vanes 30.
  • the racks 50 are mounted on the actuating ring so as to leave free one degree of freedom of the racks relative to the actuating ring, (the other 5 degrees of freedom being thus blocked).
  • FIG. 3 is an exploded view on which appear different elements of the control device. We can thus distinguish:
  • Each of the guides 62A and 62B includes a section guide rod (64A, 64B) and a ring guide rod (66A, 66B); each section guide rod being attached to the ring guide rod by means of a paver-shaped joining portion (68A, 68B).
  • the section guide rods 64A, 64B have a straight rod shape, and extend in a radial direction B.
  • This radial direction B is the radial direction at the midpoint of the rack 50 and is the radial direction at the pivot point from dawn 30.
  • the rack 50 has two section guide passages
  • section guide rods 64A, 64B which cross the rack from side to side in the direction B, to allow the passage of section guide rods 64A, 64B.
  • These passages 54A, 54B are located near the two ends 56A, 56B of the rack 50 in the circumferential direction.
  • the rack 50 is arranged to allow the section guide rods 64A, 64B to slide easily within the passages 54A, 54B.
  • the passages 54A, 54B are equipped with section guide bearings 55A, 55B, made in the form of cylindrical sleeves of low friction material ( ⁇ 0.15), or coated with such a material.
  • the section guide rods 64A, 64B in association with the passages 54A, 54B allow relative movement of the rack 50 with respect to the actuating ring 40 in the direction B, which is substantially radial and common for all guides (both guides 62A, and 62B).
  • the direction B is the radial direction at the pivot point of the blade 30.
  • the guides 62A, 62B each comprise a ring guiding rod 66A, 66B. These rods are in the form of straight bars arranged in radial passages 44A, 44B (ring guide passages) formed in the ring 40. Each of these radial passages 44A, 44B extends in the radial direction at the point where it turns out that.
  • the radial passages 44A, 44B are arranged to allow the ring guide rods 66A, 66B to slide relative to the actuating ring in their respective radial directions.
  • ring guide bearings 46A, 46B are disposed within the radial passages 44A, 44B. In the embodiment shown, these bearings are simply cylindrical sleeves made of material with a low coefficient of friction ( ⁇ 0.15), or coated with such a material.
  • these bearings comprise an enlarged flange, arranged at the inner radial end of the passages 44A, 44B.
  • This collar has a diameter too large to allow it to pass through these passages, which prevents any outward movement of the bearings 46A, 46B during the rotation of the rotor, under the effect of centrifugal forces.
  • the ring guide bearings may be in the form of a ball cage.
  • damping systems of the radial abutment can be provided on ring and / or section guide bearings.
  • section guide bearings 55 A, 55 B or ring 46A, 46 B may be locked in rotation to prevent them from rotating about their axis.
  • Such locking can be obtained by providing a flat on the circumference of the bearing, locking in a corresponding flat portion arranged in the passage housing the bearing.
  • the flat may also be provided at the collars mentioned above.
  • Figures 4 and 5 show by comparison a relative movement between the rack 50 and the guides 62A and 62B.
  • the rotor rotates at moderate speed.
  • the rotor rotates at full speed.
  • the centrifugal forces cause a strong radial outward movement of the blade pivot and consequently of the rack which is connected thereto (by means which will be presented later).
  • the actuating ring 40 deforms little with respect to the rotor structure under the effect of centrifugal forces. A relative displacement in the radial direction therefore takes place between the blade and the blade pivot, linked to the rack, on the one hand, and the actuating ring, on the other hand.
  • FIGS. 4 and 6 also show by comparison a relative displacement between the rack 50 and the guides 62A and 62B, in another case of biasing the rotor 20.
  • the rotor rotates at moderate speed.
  • the actuating ring 40 retracts radially relative to the position it takes (or the volume it occupies) when it is rotating, since it no longer undergoes centrifugal forces.
  • the actuating ring 40 is thus shown lower in FIG. 6 than in FIG. 4, with respect to the guides 62A and 62B.
  • the relative positions of the rack 50 with respect to the guides 62A and 62B have not changed.
  • Figure 7 shows the shape of the connecting portion 68A, 68B of the guides 62A, 62B.
  • the ring guide rods 64A, 64B make an angle with the section guide rods 66A, 66B. This angle is the angle formed between the radial direction for the guides and the radial direction at the blade pivot point (direction B).
  • the joining portion 68A, 68B has substantially a rectangular parallelepiped shape. It has in particular two parallel flat surfaces, said front and rear surfaces 67A, 67B and 69A, 69B for the connecting portions 68A and 68B respectively, whose normals are respectively directed towards the front and towards the rear of the turbomachine.
  • a groove 45 On the radially outer surface 42 of the crown ring 40 is formed a groove 45.
  • This groove 45 has two lateral surfaces 47 and 49 respectively directed towards the rear and towards the front of the turbomachine.
  • the width of the groove 45 is approximately equal (very slightly greater) than the distance between the front and rear surfaces 67A, 67B and 69A, 69B of the joining portions 68A, 68B. Also, when the guides 62A, 62B are mounted on the rim, the joining portion 68A, 68B is locked in rotation between the side surfaces 47 and 49 of the groove 45.
  • FIG. 8 shows the radial positioning means provided for the racks 50.
  • the right part of FIG. 8 notably has the blade attachment and pivoting device 32 and the toothing 34 formed on the orientation plate 35.
  • the radial positioning means comprise mainly a rib 70 arcuate, radial axis B, arranged on a fixed flange fixed and integrated in the device 32 for attaching and pivoting the blade.
  • the rib 70 is engaged in a groove 72 of the rack 50 meshing with the blade 30. Due to the engagement of the rib 70 in the groove 72, the movements in the radial direction of the blade root 32 are transmitted to the rack 50. In this way, the rib 70 imposes on the rack 50 a radial position, that is to say a position along the axis B of the blade, regardless of the radial position of the actuating ring 40.
  • the radial displacements of the rack 50 with respect to the actuating ring simply cause the section guide rods 64A, 64B to slide in the section guide passages 54A, 54B independently of the connected displacements of the crown and the rack. in the circumferential direction.

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Abstract

Ensemble dans une turbomachine pour commander une pluralité d'aubes pivotantes dentées (30) comportant une couronne d ' actionnement (40) pour commander la position des aubes. Des crémaillères (50) montées sur la couronne présentent chacun une denture engrenée avec la denture de l'une des aubes pour placer cette dernière dans une position angulaire choisie, et sont maintenus suivant la direction radiale par des moyens de positionnement radial (70) fixés à l'aube. Chacune des crémaillères est monté sur la couronne au moyen d'une pluralité de guides (62A, 62B) espacés suivant la circonférence de la couronne, qui lient les déplacements de la crémaillère et de la couronne suivant la direction circonférentielle.

Description

Ensemble avec dispositif de commande par crémaillères de la position angulaire d'aubes pivotantes de turbomachine
L'invention concerne un ensemble comprenant une couronne d'actionnement, une pluralité d'aubes pivotantes réparties azimutalement autour d'un premier axe, et un dispositif de commande pour commander la position angulaire desdites aubes pivotantes.
Dans un mode de réalisation connu, dans une turbomachine, un étage d'aubes pivotantes peut être commandé à l'aide d'une couronne d'actionnement. Lorsque celle-ci effectue une rotation suivant l'axe de la turbomachine par rapport à la structure du rotor qui supporte les aubes, cette rotation entraine un pivotement des aubes qui prennent une position angulaire souhaitée. Un dispositif de commande de ce type est divulgué par la demande de brevet EP1953084.
L'invention vise plus particulièrement un ensemble équipant une turbomachine dont les aubes sont appelées à tourner à une vitesse de rotation élevée (par exemple, à 1000 tours par minute, voire davantage), et/ou à fonctionner à température élevée.
Dans un autre mode de réalisation connu, un dispositif de commande d'aubes pivotantes de turbomachine transmet aux aubes la commande de position angulaire au moyen de pignons coniques, disposés à l'intérieur d'un anneau polygonal supportant les aubes. Cependant, il peut être difficile voire impossible, pour des raisons d'encombrement, de commander l'ensemble des aubes depuis l'intérieur de l'anneau.
L'objectif de l'invention est donc de proposer un ensemble comprenant une couronne d'actionnement, une pluralité d'aubes pivotantes réparties azimutalement autour d'un premier axe, et un dispositif de commande pour commander ladite pluralité d'aubes pivotantes au moyen de la couronne d'actionnement, chacune desdites aubes présentant une denture ;
ensemble dans lequel le dispositif de commande des aubes soit susceptible de commander la position angulaire des aubes pivotantes de manière fiable, occupe un volume relativement faible, en particulier en amont de l'anneau polygonal (ou du moyen équivalent) supportant les aubes ; et enfin, soit apte à fonctionner dans une large plage de températures, et/ou à des vitesses de rotation élevées.
Cet objectif est atteint grâce au fait que ledit ensemble comporte des crémaillères, montées sur la couronne ;
que chaque crémaillère est engrenée avec la denture de l'une des aubes pour placer cette dernière dans une position angulaire choisie ;
que chaque crémaillère est maintenue suivant la direction radiale par des moyens de positionnement radial fixés à l'aube ; et
que chaque crémaillère est montée sur la couronne au moyen d'une pluralité de guides espacés suivant la circonférence de la couronne, liant les déplacements de la crémaillère suivant la direction circonférentielle à ceux de la couronne, et aptes à coulisser, d'une part par rapport à la couronne, pour chaque guide suivant la direction radiale qui lui est propre, et d'autre part par rapport à la crémaillère, suivant une direction de mouvement sensiblement radiale propre à la crémaillère.
Dans la phrase précédente, le terme 'azimutalement' signifie 'dans un plan perpendiculaire à l'axe considéré', c'est-à-dire dans le cas présent, un plan perpendiculaire au premier axe (qui correspond à l'axe de la turbomachine, lorsque l'invention est intégrée à une turbomachine). Les aubes pivotantes dont la position angulaire est commandée par le dispositif de commande selon l'invention peuvent ou non être réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe de la turbomachine.
L'invention peut être mise en œuvre de différentes manières.
Dans un mode de réalisation, l'ensemble des aubes disposées azimutalement et formant une roue à aubes sont entraînées et commandées angulairement par la couronne d'actionnement. Celle-ci quant à elle est entraînée par des moyens de commande de couronne d'actionnement, par exemple par un vérin piloté par une unité de commande électronique.
Par ailleurs, comme cela a été indiqué précédemment, un objectif de l'invention peut consister notamment à permettre la commande de pivotement des aubes, alors même que l'espace intérieur au aubes est trop exigu pour permettre la commande de l'ensemble de celles-ci au moyen de pignons coniques disposés à l'intérieur de l'anneau polygonal supportant les aubes. Dans ce cas, dans un mode de réalisation, une partie des aubes sont entraînées par des pignons ou un moyen équivalent situé(s) à l'intérieur de l'anneau support des aubes. Ces aubes sont appelées aubes entraînantes, dans la mesure où à leur tour elles entraînent le reste des aubes, dites aubes entraînées.
Ainsi, dans le premier groupe d'aubes des "aubes entraînantes', qui comprend au moins une aube, et par exemple la moitié des aubes (une aube sur deux), la position angulaire des aubes est commandée angulairement par de premiers moyens de commande, par exemple par des pignons situés à l'intérieur de l'anneau-support des aubes. Le reste des aubes, c'est-à-dire les aubes qui ne sont pas commandées par les premiers moyens de commande, constitue le deuxième groupe d'aubes, des "aubes entraînées'. La position angulaire des aubes entraînées est commandée par le dispositif de commande d'un ensemble selon l'invention.
Dans ce cas, pour toutes les aubes entraînantes, le dispositif de commande comporte des moyens de couplage entre les aubes entraînantes et la couronne d'actionnement. Ces moyens de couplage assurent que chaque changement de position angulaire des aubes entraînantes entraine une rotation correspondante de la couronne d'actionnement.
Avantageusement ces moyens de couplage peuvent comprendre des crémaillères identiques à celles équipant les aubes du deuxième groupe d'aubes, s'engrenant avec des dentures correspondantes des aubes entraînantes. Du fait que toutes les crémaillères sont liées à la couronne d'entraînement, il s'ensuit alors que le mouvement dans la direction circonférentielle communiqué à la couronne d'actionnement est commun à l'ensemble des crémaillères et est donc transmis à toutes les aubes. La couronne d'actionnement dans ce cas est une couronne de synchronisation, qui synchronise les mouvements de pivotement de l'ensemble des aubes de la roue à aubes.
La structure et le fonctionnement de l'ensemble selon l'invention vont maintenant être présentés plus en détail.
Une première caractéristique de l'invention consiste dans le fait que chaque aube pivotante est actionnée au moyen d'une denture, qui s'engrène avec une denture correspondante d'une crémaillère. Par ailleurs, les crémaillères sont montées sur la couronne d'actionnement au moyen de guides. Les guides sont des pièces ou des ensembles de pièces qui assurent une liaison entre la couronne d'actionnement et la crémaillère. En particulier, les guides lient en rotation la couronne et la crémaillère, grâce à quoi toute rotation de la couronne d'actionnement par rapport à la structure du rotor est transmise aux crémaillères (un écart extrêmement faible restant possible du fait des possibilités de coulissement des guides par rapport à la crémaillère). Par suite, la position angulaire de la couronne d'actionnement autour de l'axe de rotation de la turbomachine impose leurs positions angulaires aux aubes via les crémaillères, du fait de l'engrènement mutuel entre les dentures des crémaillères et celles des aubes.
La denture d'une aube peut être ici une denture formée directement sur l'aube, ou encore une denture formée sur une pièce fixée à l'aube.
On notera de plus que l'indication que la crémaillère est montée sur la couronne peut désigner une crémaillère montée sur toute surface de la couronne, qu'il s'agisse d'une surface radialement extérieure (c'est la solution préférée, car les problèmes d'encombrement y sont moindres), d'une surface "de tranche' de la crémaillère, dont la normale est approximativement parallèle à l'axe de rotation de la turbomachine, voire d'une surface radialement intérieure à la couronne d'actionnement.
La caractéristique la plus intéressante de l'invention réside dans le mode de liaison entre les crémaillères et la couronne d'actionnement. Il s'est avéré en effet au cours de la conception de l'invention que la crémaillère ne peut être fixée à la couronne d'actionnement ou être une partie de celui-ci : Au contraire, il est indispensable d'assurer une possibilité de mouvement relatif radial entre la crémaillère et la couronne, pour assurer un fonctionnement fiable du dispositif de commande angulaire des aubes.
Ce besoin d'assurer un degré de liberté à la crémaillère, par rapport à la couronne d'actionnement, est dû principalement à deux raisons ;
I. Dilatations d'ensemble
Comme cela a été précisé précédemment, les ensembles selon l'invention comprennent notamment des dispositifs de commande (en particulier embarqués sur avion) commandant des aubes pivotantes appelées à atteindre des vitesses de rotation et/ou à être soumises à des températures élevées. En fonctionnement, ces dispositifs sont donc soumis d'une part à des forces centrifuges liées à la rotation du rotor de la turbomachine, et/ou d'autre part, à des variations thermiques importantes qui entraînent des dilatations des différentes pièces impliqués.
Les dilatations thermiques ainsi que les forces centrifuges produisent le même effet sur la couronne d'actionnement, à savoir une dilatation d'ensemble de celle-ci. Cette dilatation d'ensemble se produit à la fois dans la direction radiale et dans la direction circonférentielle (direction tangente à la circonférence de la couronne et perpendiculaire à l'axe de rotation). La dilatation circonférentielle subie par la couronne d'actionnement entraîne naturellement l'augmentation de toutes les distances, dans le sens circonférentiel, sur la couronne d'actionnement.
Si la couronne d'actionnement comportait elle-même une denture, prévue pour s'engrener dans une denture correspondante d'une aube, on comprend que le pas de la denture de la couronne aurait tendance à augmenter lorsque la vitesse de rotation du rotor augmente, du fait de la dilatation d'ensemble de la couronne d'actionnement causée par les forces centrifuges (et de même en cas d'une hausse de température).
Or inversement, lors de cette même rotation, le pas de la denture de l'aube pivotante, pour sa part, ne subit pas d'augmentation, cette denture s'étendant dans la direction circonférentielle.
Par ailleurs, le fonctionnement fiable du dispositif de commande requiert un engrènement très précis de la denture de la couronne d'actionnement avec la denture correspondante de l'aube. Il est donc impératif que les deu dentures aient exactement le même pas. Par conséquent, une augmentation du pas de la denture de la couronne d'actionnement ne peut être acceptée, lorsque la denture de l'aube pivotante, pour sa part, conserve un pas constant.
Pour cette raison, dans le dispositif de commande d'un ensemble selon l'invention, les déplacements angulaires de la couronne par rapport à la structure du rotor ne sont pas transmis à l'aube directement depuis une denture de la couronne, mais sont transmis via des crémaillères montées sur la couronne, montées de la manière indiquée précédemment. Avantageusement, le mode de montage des crémaillères sur la couronne permet que le pas de la denture des crémaillères reste constant, même à des vitesses de rotation élevées du rotor ou en cas de fortes variations de température.
En effet, pendant une rotation rapide du rotor, chaque tronçon, individuellement, subit naturellement des forces centrifuges. Cependant, comme les crémaillères sont des pièces distinctes les unes des autres, et liées non pas entre eux mais seulement avec la couronne, les forces centrifuges en elles-mêmes ne causent presque aucune élongation des crémaillères dans la direction circonférentielle.
Une élongation des crémaillères pourrait cependant être causée par des tractions suivant la direction circonférentielle, qu'imposeraient les guides sur les crémaillères.
La possibilité de telles tractions circonférentielles découle du fait que le montage d'un tronçon sur la couronne requiert au moins deux points de liaison entre la crémaillère et la couronne, espacés suivant la direction circonférentielle.
Ce besoin d'avoir deux points de liaison espacés circonférenciellement, est dû à l'importance des forces qui s'exercent dans les dentures des crémaillères et des aubes. Ces forces sont importantes afin d'assurer la fiabilité de l'engrènement mutuel entre les dentures des crémaillères et des aubes. Du fait que la denture des crémaillères s'étend sur une certaine longueur (suivant la direction circonférentielle), il est nécessaire de prévoir pour chaque crémaillère une pluralité de points de fixation sur la couronne, espacés suivant la direction circonférentielle, et par exemple distants de la moitié de la longueur (circonférentielle) de la crémaillère. Si les guides sont ainsi espacés le long de la crémaillère, les forces appliquées par l'aube sur la crémaillère sont transmises à la couronne sans créer de concentration de contraintes excessive, et permettent un maintien précis de la position relative de la crémaillère par rapport à l'aube.
En général, un agencement avec deux guides par crémaillère suffit pour atteindre ce résultat. Il permet d'assurer que la crémaillère ne tourne absolument pas, malgré les efforts importants transmis à l'aube. Avec un tel agencement, avantageusement la taille, le coût et la masse des moyens de fixation liant la crémaillère à la couronne d'actionnement sont minimisés.
Cependant, comme cela a été envisagé précédemment, on pourrait craindre que l'existence de plusieurs points de liaison entre la crémaillère et la couronne ne conduise à ce que des tractions circonférentielles soient appliquées à la crémaillère par les guides. En effet, sous l'effet de hausses de température et/ou de forces centrifuges subies en raison de la rotation du rotor, comme cela a été dit la couronne subit une dilatation d'ensemble, conduisant les points de la couronne, et notamment les points au niveau desquels les crémaillères sont montés sur la couronne, à s'écarter les uns des autres. On comprend qu'une telle déformation pourrait entraîner un allongement des crémaillères, puisque les guides lient les crémaillères et la couronne suivant la direction circonférentielle.
Or, selon l'invention, la liaison entre les crémaillères et la couronne est telle qu'un allongement de la couronne dans la direction circonférencielle, résultant de sa dilatation d'ensemble, ne se communique pas aux crémaillères, et qu'ainsi aucune contrainte circonférentielle n'est transmise aux crémaillères par la couronne via les guides. En effet, du fait que les guides sont aptes à coulisser par rapport à la couronne, lorsque celui-ci subit une dilatation d'ensemble, les guides restent en position fixe (par rapport à l'aube), indépendamment de la dilatation radiale de la couronne. Aussi, cette dilatation (ou contraction) radiale de la couronne n'entraine aucun changement du pas de la denture des crémaillères. II. Forces centrifuges s'appliquant sur les aubes
La deuxième raison qui rend nécessaire que la crémaillère présente un degré de liberté par rapport à la couronne d'actionnement, est la déformation subie par la structure du rotor pendant la rotation. Cette déformation se produit aux points de pivot d'aube, qui se déplacent radialement sous l'effet de la traction exercée par les aubes et résultant des forces centrifuges considérables s'exerçant sur celles-ci.
Inversement, la couronne d'actionnement, ayant globalement une forme de révolution, ne subit pas une telle déformation.
Pour chaque aube, la différence de déplacement radial entre le pivot d'aube et la couronne d'actionnement entraîne un déplacement radial entre le pivot d'aube et la couronne. Or, les dentures respectives de la crémaillère et de l'aube doivent rester à tout instant en regard l'une de l'autre, notamment suivant la direction radiale, pour être à même de remplir leur fonction de manière fiable et durable.
Avantageusement, le dispositif de commande d'un ensemble selon l'invention prévoit donc que la position radiale de la crémaillère soit liée à celle du pivot d'aube.
Cette liaison est réalisée par des moyens pour lier la position radiale des crémaillères à celle de l'aube. Ces moyens sont fixés à l'aube, ce qui est la solution la plus simple pour permettre un déplacement radial de la crémaillère égal à tout instant à celui du pivot d'aube.
Il s'ensuit qu'a contrario, la position radiale de la crémaillère est découplée de celle de la couronne d'actionnement. Ce découplage est rendu possible grâce au fait que les guides peuvent coulisser par rapport à la crémaillère. Ce coulissement permet une translation de la crémaillère par rapport aux guides suivant une direction sensiblement radiale, dite direction de mouvement.
On notera en outre qu'en général, les moyens de montage de la crémaillère sur la couronne d'actionnement fixent cinq de ses six degrés de liberté de déplacement par rapport à la couronne, seul un déplacement suivant une direction sensiblement radiale restant possible.
Dans un mode de réalisation, la direction de mouvement de chaque crémaillère est parallèle à l'axe de l'aube. Il s'agit ici naturellement de l'aube dont la denture est engrenée avec la crémaillère. En effet, la déformation indiquée précédemment de la structure du rotor résulte des forces transmises par les aubes. Ces forces s'appliquent à la structure du rotor à l'emplacement des pivots d'aube et suivant la direction radiale en ces points. Aussi, la direction de mouvement, qui est celle du mouvement que doit réaliser la crémaillère pour accompagner la déformation de la structure du rotor, est de préférence parallèle à la direction de l'axe de l'aube associée à la crémaillère.
Dans un mode de réalisation, au moins un des guides comporte une tige de guidage d'anneau, engagée de manière coulissante dans un passage de guidage d'anneau aménagé dans la couronne suivant une direction radiale pour le guide. L'expression 'une direction radiale pour le guide' désigne ici une direction radiale par rapport à l'axe de la turbomachine à l'emplacement du guide, par exemple la direction radiale au centre de gravité du guide.
La tige de guidage d'anneau est une barre profilée, qui permet de manière particulièrement simple un déplacement radial relatif de la couronne d'actionnement par rapport au guide, et donc, par rapport à la crémaillère, sans générer de contrainte circonférentielle sur fa crémaillère. Elle peut avoir une section circulaire, mais aussi plus généralement présenter une section quelconque.
Dans un mode de réalisation, au moins un desdits guides comporte une tige de guidage de tronçon, engagée de manière coulissante dans un passage de guidage de tronçon aménagé suivant la direction de mouvement de la crémaillère considérée.
La tige de guidage de tronçon est une barre profilée, qui permet de manière très simple de permettre au guide d'assurer sa fonction de guidage de la crémaillère, tout en permettant le déplacement de celle-ci suivant la direction de mouvement.
La tige de guidage de tronçon peut avoir une section circulaire, mais aussi plus généralement présenter une section quelconque. Un guide peut comporter par exemple plusieurs barres parallèles pour le guidage de la crémaillère.
Lorsqu'un guide comporte à la fois une tige de guidage de tronçon et une tige de guidage d'anneau, un angle non nul est formé (presque toujours) entre les tiges de guidage de tronçon et d'anneau. Cet angle est l'angle formé entre la direction de mouvement (relative à la crémaillère) et la direction radiale pour le guide. Cet angle est généralement faible, par exemple inférieur à 10°.
Dans un mode de réalisation, dans lequel un guide comporte à la fois une tige de guidage d'anneau et une tige de guidage de tronçon, le guide est une pièce constituée par la tige de guidage d'anneau, la tige de guidage de tronçon, et une partie de jonction reliant les tiges d'anneau et de tronçon. Il s'agit en général d'une pièce unique, bien qu'il puisse s'agir aussi d'un assemblage. La partie de jonction peut notamment être un pavé de jonction, reliant les tiges d'anneau et de tronçon.
La partie de jonction peut comporter notamment une fonction antirotation du guide par rapport à la couronne, en particulier pour maintenir les guides dans la position souhaitée, même en l'absence de la crémaillère. Ainsi, dans un mode de réalisation, le dispositif de commande comporte des moyens de blocage en rotation agencés sur la couronne, aptes à empêcher une rotation d'un premier guide par rapport à la couronne autour d'une direction radiale. Ces moyens de blocage peuvent être intégrés à la couronne d'actionnement ou fixés sur celui-ci. Ces moyens de blocage en rotation servent à faciliter le montage de la crémaillère sur la couronne d'actionnement.
Dans une variante du mode de réalisation précédent, le premier guide présente un méplat perpendiculaire à l'axe de la turbomachine, et la couronne présente une surface plane aménagée à proximité dudit méplat de manière à empêcher une rotation du guide autour d'une direction radiale. En particulier, dans le cas d'un guide comportant une tige de guidage d'anneau et une tige de guidage de tronçon, reliées par une partie de jonction, le blocage en rotation peut être réalisé en utilisant des surfaces latérales de la partie de jonction agencées de manière à être perpendiculaires à la direction de l'axe de la turbomachine.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de commande comporte au moins un palier de guidage, tel qu'une cage à billes, disposé dans l'un desdits passages pour assurer le coulissement dans ledit passage de la tige s'étendant dans ledit passage. Un tel palier de guidage est notamment utilisé pour minimiser les forces de frottement transmises entre la couronne d'actionnement et la crémaillère, ce qui est souhaitable pour permettre un positionnement optimal des crémaillères par rapport à la couronne, et améliorer ainsi le fonctionnement du dispositif de commande.
Pour contribuer à augmenter la durée de vie du dispositif de commande, dans un mode de réalisation le dispositif de commande comporte en outre un système d'amortissement en butée radiale dudit palier.
Dans un mode de réalisation, les moyens de positionnement radial comportent pour chaque aube une nervure en arc de cercle, d'axe radial, aménagée dans un dispositif d'attache et de pivot de l'aube, et engagée dans une gorge de la crémaillère engrenée avec l'aube pour imposer à ladite crémaillère une position radiale (c'est-à-dire, de telle sotte que la nervure impose une position radiale à la crémaillère engrenée avec l'aube).
Le dispositif d'attache et de pivot de l'aube est la pièce ou l'assemblage de pièces situées à l'extrémité de l'aube située du côté du pivot d'aube et assurant la liaison entre la partie profilée de l'aube et la structure du rotor. La nervure solidaire de la base de l'aube a une forme d'arc de cercle, de même axe que l'axe de pivot de l'aube, ce qui permet que son interaction avec la crémaillère ne soit pas modifiée, quelle que soit la position angulaire adoptée par l'aube. La nervure transmet une force à la crémaillère suivant la direction radiale, qui impose à la crémaillère une position radiale.
L'invention vise également une turbomachine comprenant un ensemble comportant une couronne d'actionnement, une pluralité d'aubes pivotantes réparties azimutalement autour d'un axe de la turbomachine, et un dispositif de commande pour commander la position angulaire desdites aubes pivotantes ; chacune desdites aubes présentant une denture ; turbomachine dont le dispositif de commande soit apte à fonctionner, même si lesdites aubes subissent des variations thermiques importantes et/ou sont entraînées à une vitesse de rotation élevée.
Cet objectif est atteint grâce au fait que l'ensemble que comprend la turbomachine est un ensemble tel que défini précédemment.
Avantageusement, l'invention peut être mise en œuvre dans une turbomachine dans laquelle les aubes commandées par le dispositif de commande sont des aubes dont l'extrémité radialement extérieure est libre. L'invention concerne donc notamment les turbopropulseurs.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels ;
- la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'une turbomachine selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle du dispositif de commande d'un ensemble selon l'invention ;
- la figure 3 est une vue éclatée en perspective partielle du dispositif de commande de la figure 2 ; - les figures 4, 5 et 6 sont des coupes suivant l'axe de rotation du dispositif de commande de la figure 2, respectivement en fonctionnement à vitesse modérée, à haute vitesse et à l'arrêt ;
- la figure 7 est une vue en perspective schématique partielle de la couronne d'actionnement du dispositif de commande de la figure 2, avec deux guides ; et
- la figure 8 est une vue en perspective schématique partielle du dispositif de commande de la figure 2.
En faisant référence à la figure 1, une turbomachine selon l'invention va maintenant être décrite.
La turbomachine 10 présentée sur la figure 1 comporte une nacelle 12, ainsi que deux rotors 20 et 22 prévus pour tourner autour d'un axe de rotation A de la turbomachine 10.
Chacun de ces rotors 20 et 22 comporte une pluralité d'aubes pivotantes 30, fixées respectivement sur des structures ou carters 31 et 33 des rotors 20 et 22. Les aubes 30 sont ainsi disposées en deux rangées d'aubes, placées l'une derrière l'autre dans le sens de déplacement du rotor, et prévues pour tourner dans des sens opposés, de manière contrarotative.
Chacun des aubes pivotantes 30 est une aube qui s'étend radialement par rapport à l'axe A de rotation de la turbomachine 10 dit axe de la turbomachine. Les extrémités radialement extérieures de chacune des aubes 30 sont libres. Chacune de ces aubes 30 peut pivoter autour de son axe afin de modifier son interaction avec le flux d'air qui passe autour de la turbomachine 10 dans la direction générale de l'axe A.
Les aubes 30 sont toutes identiques, et sont disposées à des positions angulaires régulièrement réparties sur la périphérie du rotor.
Dans ce qui suit, seul l'agencement de l'un des rotors 20 ou 22 est décrit, l'agencement de l'autre de ces rotors étant similaire.
La turbomachine 10 comprend un dispositif de commande pour commander la position angulaire ou l'orientation des aubes 30. Ce dispositif de commande comporte une couronne d'actionnement 40 agencée dans le rotor (figure 2). Cette couronne d'actionnement 40 est commandée par des moyens de commande et d'actionnement non représentés, de manière connue. La couronne 40 peut se déplacer en rotation autour de l'axe A pour transmettre une commande de position angulaire (ou d'orientation) aux aubes 30.
La couronne d'actionnement 40 a une forme générale annulaire et est disposé de manière à ce que son axe soit confondu avec l'axe A du rotor. Sur la surface extérieure 42 de la couronne d'actionnement sont montés un ensemble de crémaillères 50, à raison d'une crémaillère 50 en face de chaque aube 30 dont la position angulaire doit être commandée. Ces crémaillères 50 servent à transmettre la commande de rotation de la couronne d'actionnement aux aubes 30.
Chaque aube 30 est fixée sur la structure du rotor par un dispositif d'attache et de pivot d'aube 32. Chaque dispositif d'attache et de pivot d'aube 32 est fixé sur la structure 31 du rotor par au moins un palier non représenté, qui permet à l'aube de pouvoir pivoter autour de son axe B.
Chaque dispositif d'attache et de pivot d'aube 32 comporte une platine d'orientation 35, ayant sensiblement la forme d'un disque d'axe B, dont une partie de la périphérie est occupée par une denture 34. Cette platine 35 comporte une fente prévue pour recevoir et fixer le pied de l'aube 30, par coopération de forme. La denture 34 est positionnée sur la périphérie de la platine 35 de telle sorte que dans la position angulaire moyenne de l'aube, le point de contact prévu entre la platine 35 et la crémaillère 50 est dirigé vers l'avant de la turbomachine, suivant l'axe A de celle-ci.
D'autre part, chaque crémaillère 50 a sensiblement la forme d'une portion d'anneau ou d'arc de cercle, ayant pour axe l'axe A de la turbomachine.
Chaque crémaillère 50 comporte une denture 52, qui s'étend sur une surface de la crémaillère dirigée vers l'arrière de la turbomachine. Les dentures respectives 34 et 52 du dispositif d'attache et de pivot d'aube 32 et de la crémaillère 50 se font face et sont agencées de manière à s'engrener ensemble à l'instar de pignons coniques. Ainsi, une rotation autour de l'axe A de la couronne d'actionnement 40 entraine une rotation autour de leurs axes B radiaux des aubes 30.
Les crémaillères 50 sont montées sur la couronne d'actionnement de manière à ne laisser libre qu'un seul degré de liberté des crémaillères par rapport à la couronne d'actionnement, (les 5 autres degrés de liberté étant donc bloqués). Le seul degré de liberté qui est libre (dans un certain intervalle de déplacement), est la position radiale de la crémaillère 50 par rapport à la couronne d'actionnement 40.
L'agencement du montage des crémaillères 50 sur la couronne d'actionnement 40 est au cœur de l'invention et va maintenant être présenté de manière plus détaillée, en relation avec les figures 3 à 7.
La figure 3 est une vue éclatée sur laquelle apparaissent différents éléments du dispositif de commande. On peut ainsi distinguer :
- une crémaillère 50 avec sa denture 52 ;
- la couronne d'actionnement 40 (avec un arraché local représenté en coupe) ;
- deux guides 62A et 62B.
Chacun des guides 62A et 62B comporte une tige de guidage de tronçon (64A, 64B) et une tige de guidage d'anneau (66A, 66B) ; chaque tige de guidage de tronçon étant fixée à la tige de guidage d'anneau au moyen d'une partie de jonction (68A, 68B) en forme de pavé.
Les tiges de guidage de tronçon 64A, 64B ont une forme de barreau rectiligne, et s'étendent dans une direction radiale B. Cette direction radiale B est la direction radiale au point milieu de la crémaillère 50 et est la direction radiale au point de pivot de l'aube 30.
La crémaillère 50 comporte deux passages de guidage de tronçon
54A, 54B qui traversent la crémaillère de part en part suivant la direction B, pour permettre le passage des tiges de guidage de tronçon 64A, 64B. Ces passages 54A, 54B sont situés à proximité des deux extrémités 56A, 56B de la crémaillère 50 dans la direction circonférentielle. La crémaillère 50 est agencée pour permettre que les tiges de guidage de tronçon 64A, 64B, coulissent facilement à l'intérieur des passages 54A, 54B. Pour faciliter ce coulissement, les passages 54A, 54B sont équipés de paliers de guidage de tronçon 55A, 55B, réalisés sous forme de manchons cylindriques en matériau à faible coefficient de frottement ( < 0,15), ou revêtus d'un tel matériau.
Les tiges de guidage de tronçon 64A, 64B en association avec les passages 54A, 54B permettent un déplacement relatif de la crémaillère 50 par rapport à la couronne d'actionnement 40 suivant la direction B, qui est sensiblement radiale et commune pour l'ensemble des guides (les deux guides 62A, et 62B). Dans le mode de réalisation présenté, la direction B est la direction radiale au point de pivot de l'aube 30. Par ailleurs, les guides 62A, 62B comportent chacun une tige de guidage d'anneau 66A, 66B. Ces tiges ont la forme de barreaux recti lignes, disposés dans des passages radiaux 44A, 44B (passages de guidage d'anneau) formés dans la couronne 40. Chacun de ces passages radiaux 44A, 44B s'étend dans la direction radiale au point où il se trouve. Les passages radiaux 44A, 44B sont agencés pour permettre 1e coulissement des tiges de guidage d'anneau 66A, 66B par rapport à la couronne d'actionnement dans leurs directions radiales respectives. Pour faciliter ce coulissement, des paliers de guidage d'anneau 46A, 46B sont disposés à l'intérieur des passages radiaux 44A, 44B. Dans le mode de réalisation représenté, ces paliers sont simplement des manchons cylindriques réalisés en matériau à faible coefficient de frottement (< 0,15), ou revêtus d'un tel matériau.
Pour assurer leur propre maintien en position radiale, ces paliers comportent une collerette élargie, agencée à l'extrémité radiale intérieure des passages 44A, 44B. Cette collerette présente un diamètre trop important pour permettre qu'elle ne passe à travers ces passages, ce qui permet d'empêcher tout déplacement vers l'extérieur des paliers 46A, 46B pendant la rotation du rotor, sous l'effet des forces centrifuges.
Dans un autre mode de réalisation, les paliers de guidage d'anneau peuvent être réalisés sous forme de cage à billes.
D'autre part, pour éviter des chocs et réduire les sollicitations mécaniques lorsque les guides sont bloqués en butée lors de leur coulissement relatif par rapport soit aux crémaillères, soit à la couronne, des systèmes d'amortissement de la butée radiale peuvent être prévus sur les paliers de guidage d'anneau et/ou de tronçon.
Enfin, les paliers de guidage de tronçon 55 A, 55B ou d'anneau 46A, 46 B peuvent être bloqués en rotation pour éviter qu'ils ne tournent autour de leur axe. Un tel blocage peut être obtenu en prévoyant un méplat sur la circonférence du palier, se bloquant dans un méplat correspondant agencé dans le passage abritant le palier. Le méplat peut aussi être prévu au niveau des collerettes citées précédemment.
Les passages de guidage d'anneau 44A, 44B en association avec les tiges de guidage d'anneau 66A, 66B, permettent le déplacement relatif des guides 62A, 62B par rapport à la couronne, chacun respectivement suivant la direction radiale qui lui correspond, lors d'une dilatation d'ensemble de la couronne d'actionnement 40.
Les figures 4 et 5 montrent par comparaison un déplacement relatif entre la crémaillère 50 et les guides 62A et 62B. Dans le premier cas (figure 4), le rotor tourne à vitesse modérée. Dans le second cas (figure 5), le rotor tourne à pleine vitesse. Dans ce dernier cas, les forces centrifuges causent un fort déplacement radial vers l'extérieur du pivot d'aube et par suite, de la crémaillère qui lui est lié (par des moyens qui seront présentés plus loin).
A contrario, la couronne d'actionnement 40 se déforme peu par rapport à la structure du rotor sous l'effet des forces centrifuges. Un déplacement relatif suivant la direction radiale a donc lieu entre l'aube et le pivot d'aube, liés à la crémaillère, d'une part, et la couronne d'actionnement, d'autre part.
Ce déplacement relatif apparaît sur la figure 5. Sous l'effet de la rotation, la crémaillère 50, dont le déplacement radial est lié à celui de l'aube par les moyens de positionnement radial fixés à l'aube, est amenée à s'écarter de l'axe de rotation ; elle est donc représentée plus haut sur la figure 5 que sur la figure 4. On constate qu'en revanche, les positions relatives de la couronne d'actionnement 40 par rapport aux guides 62A et 62B n'ont pas changé.
Les figures 4 et 6 montrent également par comparaison un déplacement relatif entre la crémaillère 50 et les guides 62A et 62B, dans un autre cas de sollicitation du rotor 20. Dans le premier cas (figure 4), comme cela a été dit le rotor tourne à vitesse modérée. Dans le second cas (figure 6), le rotor est à l'arrêt. A l'arrêt, la couronne d'actionnement 40 se rétracte radialement par rapport à la position qu'il prend (ou au volume qu'il occupe) lorsqu'il est en rotation, puisqu'il ne subit plus de forces centrifuges. La couronne d'actionnement 40 est donc représenté plus bas sur la figure 6 que sur la figure 4, par rapport aux guides 62A et 62B. On constate qu'en revanche, les positions relatives de la crémaillère 50 par rapport aux guides 62A et 62B n'ont pas changé.
On comprend naturellement que les deux comparaisons précédentes sont des cas particuliers, relativement théoriques, présentés pour faire comprendre les deux déplacements relatifs susceptibles de se produire entre les guides d'une part, et la couronne et/ou la crémaillère, d'autre part. En pratique, lors du fonctionnement du rotor, les deux effets (dilatation d'ensemble de la couronne d'actîonnement 40 ; ecartement radial du pivot d'aube et donc de la crémaillère 50) se produisent tous deux, de manière plus ou moins importante, en général conjointement, en fonction de la vitesse de rotation atteinte, de la température, des matériaux des différents composants, etc.
La figure 7 présente la forme de la partie de jonction 68A, 68B des guides 62A, 62B. Lors du montage du rotor, les guides 62A et 62B sont montés sur la couronne d'actîonnement, puis les crémaillères 50 sont montées sur les guides.
Les tiges de guidage d'anneau 64A, 64B font un angle avec les tiges de guidage de tronçon 66A, 66B. Cet angle est l'angle formé entre la direction radiale pour les guides avec la direction radiale au point de pivot d'aube (direction B).
Pour faciliter le montage des crémaillères sur les guides, ceux-ci sont bloqués en rotation autour de l'axe des tiges de guidage d'anneau 66A, 66B. Ce blocage est réalisé par la partie de jonction 68A, 68B. Celle- ci a sensiblement une forme de parallélépipède rectangle. Elle présente notamment deux surfaces planes parallèles, dites surfaces avant et arrière 67A, 67B et 69A, 69B pour les parties de jonction 68A et 68B respectivement, dont les normales sont dirigées respectivement vers l'avant et vers l'arrière de la turbomachine.
Sur la surface 42 radialement externe de la couronne d'actîonnement 40 est formée une gorge 45. Cette gorge 45 présente deux surfaces latérales 47 et 49, dirigées respectivement vers l'arrière et vers l'avant de la turbomachine. La largeur de la gorge 45 est à peu près égale (très légèrement supérieure) à la distance entre les surfaces avant et arrière 67A, 67B et 69A, 69B des parties de jonction 68A, 68B. Aussi, lorsque l'on monte les guides 62A, 62B sur la couronne d'actîonnement, la partie de jonction 68A, 68B est bloquée en rotation entre les surfaces latérales 47 et 49 de la gorge 45.
La figure 8 présente les moyens de positionnement radial prévus pour les crémaillères 50.
La partie droite de la figure 8 présente notamment le dispositif d'attache et de pivot d'aube 32 et la denture 34 formée sur la platine d'orientation 35. Les moyens de positionnement radial comportent principalement une nervure 70 en arc de cercle, d'axe B radial, aménagée sur un flasque rapporté fixé et intégré au dispositif 32 d'attache et de pivot de l'aube. La nervure 70 est engagée dans une gorge 72 de la crémaillère 50 engrené avec l'aube 30. Du fait de l'engagement de la nervure 70 dans la gorge 72, les déplacements dans le sens radial du pied d'aube 32 sont transmis à la crémaillère 50. De cette manière, la nervure 70 impose à la crémaillère 50 une position radiale, c'est-à-dire une position suivant l'axe B de l'aube, indépendamment de la position radiale de la couronne d'actionnement 40.
Les déplacements radiaux de la crémaillère 50 par rapport à la couronne d'actionnement entraînent simplement un coulissement des tiges de guidage de tronçon 64A, 64B dans les passages de guidage de tronçon 54A, 54B, indépendamment des déplacements liés de la couronne et de la crémaillère dans la direction circonférentielle.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ensemble comprenant une couronne d'actionnement (40), une pluralité d'aubes pivotantes (30) réparties azimutalement autour d'un premier axe, et un dispositif de commande pour commander la position angulaire de ladite pluralité d'aubes pivotantes (30) au moyen de la couronne d'actionnement (40) ; chacune desdites aubes présentant une denture (34) ;
l'ensemble se caractérisant en ce qu'il comporte des crémaillères (50), montées sur ladite couronne ;
chaque crémaillère est engrenée avec la denture de l'une desdites aubes pour placer cette dernière dans une position angulaire choisie ;
chaque crémaillère est maintenue suivant la direction radiale par des moyens de positionnement radial (70) fixés à l'aube ;
chaque crémaillère est montée sur la couronne au moyen d'une pluralité de guides (62A,62B) espacés suivant la circonférence de la couronne, liant les déplacements de la crémaillère suivant la direction circonférentielle à ceux de la couronne, et aptes à coulisser, d'une part par rapport à la couronne, pour chaque guide suivant la direction radiale qui lui est propre, et d'autre part par rapport à la crémaillère, suivant une direction de mouvement (B) sensiblement radiale propre à la crémaillère.
2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel ladite direction de mouvement de chaque crémaillère est parallèle à un axe de l'aube dont la denture est engrenée avec la crémaillère.
3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins un desdits guides (62A,62B) comporte une tige de guidage d'anneau (66A, 66B), engagée de manière coulissante dans un passage de guidage d'anneau (44A, 44B) aménagé dans la couronne suivant une direction radiale pour le guide.
4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins un desdits guides (62A,62B) comporte une tige de guidage de tronçon (64A, 64B), engagée de manière coulissante dans un passage de guidage de tronçon (54A,54B) aménagé suivant la direction de mouvement de la crémaillère (50) considérée.
5. Ensemble selon les revendications 3 et 4, dans lequel au moins un guide (62A,62B) est une pièce constituée par la tige de guidage d'anneau
(66A, 66B), la tige de guidage de tronçon (64A, 64B), et une partie de jonction (68A, 68B) reliant les tiges d'anneau et de tronçon,
6, Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant des moyens de blocage en rotation (67A,67B;69A,
69B;45, 7,49) agencés sur la couronne, aptes à empêcher une rotation d'au moins un premier guide (62A,62B) par rapport à la couronne (40) autour d'une direction radiale.
7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel ledit premier guide présente une surface plane (67A, 67B ;69A, 69B) perpendiculaire audit premier axe, et la couronne présente une surface plane aménagée à proximité dudit méplat (47,49) de manière à empêcher une rotation du guide autour d'une direction radiale.
8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel au moins un desdits guides (62A,62B) comporte une tige de guidage d'anneau (66A, 66B), engagée de manière coulissante dans un passage de guidage d'anneau (44A, 44B) aménagé dans la couronne suivant une direction radiale pour le guide,
ledit ensemble comportant au moins un palier de guidage (46A,46B ;55A, 55B), tel qu'une cage à billes, disposé dans l'un desdits passages pour assurer le coulissement dans ledit passage de la tige s'étendant dans ledit passage.
9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel au moins un desdits guides (62A,62B) comporte une tige de guidage de tronçon (64A, 64B), engagée de manière coulissante dans un passage de guidage de tronçon (54A,54B) aménagé suivant la direction de mouvement de la crémaillère (50) considérée, ledit ensemble comportant au moins un palier de guidage (46A,46B ;55A, 55B), tel qu'une cage à billes, disposé dans l'un desdits passages pour assurer le coulissement dans ledit passage de la tige s'étendant dans ledit passage.
10. Ensemble selon la revendication 8 ou 9, comportant en outre un système d'amortissement en butée radiale dudît palier.
11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les moyens de positionnement radial comportent pour chaque aube une nervure en arc de cercle (70), d'axe radial, aménagée dans un dispositif d'attache et de pivot (32) de l'aube (30), et engagée dans une gorge de la crémaillère (72) engrenée avec l'aube pour imposer à ladite crémaillère une position radiale.
12. Turbomachine comprenant un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
13. Turbomachine selon la revendication 12, dans laquelle les aubes commandées par ledit dispositif de commande sont des aubes (30) dont l'extrémité radialement extérieure est libre.
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