Hélice et procédé pour sa fabrication. L'invention a pour objet une hélice com portant un moyeu et des pales, ces pales ayant leurs surfaces de travail formées de façon à déterminer une section transversale de pale diminuant progressivement à partir de la racine de la. pale jusqu'à l'extrémité de celle- ci. Une telle hélice peut être établie .de façon à être relativement plus légère en poids, tout en ayant une plus grande résistance mécani que que les hélices produites jusqu'à présent, et de réduire les efforts -de fatigue mécanique se manifestant surtout dans les racines des pales d'une hélice de ce genre.
De préférence, les pales ont une épaisseur uniforme depuis leur bord menant à leur bord suiveur.
I2invention se rapporte en outre à un pro cédé pour fabriquer des hélices de ce genre, caractérisé en ce qu'on forme des ébauches ayant l'épaisseur finale des pales d'hélice, qu'on gauchit ces ébauches de façon à les. amener à l'état de pales .d'hélice et qu'on monte celles-ci sur un moyeu.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'hélice suivant la présente invention.
La fig. 1 est une vue en plan d'une hé lice; La fig. 2 est une coupe radiale d'une pale d'hélice prise perpendiculairement à ses faces de travail; La fig. $ est une vue développée du bord périphérique de l'une des pales montrées à la fig. 1 et une section transversale à travers la racine de la même pale; La fig. 4 est un diagramme comparatif de la fatigue mécanique d'une pale d'hélice du genre montré aux fig. 1 à 3, sauf qu'elle a une épaisseur uniforme -de la. racine au bord périphérique;
La fig. 5 est un diagramme de la fatigue mécanique d'une pale d'hélice effilée de façon telle qu'en coupe radiale de l'hélice, les deux faces donnent,deux droites convergentes de la racine au bord périphérique. Cet effilage est appelé dans la suite, par raison de commodité "effilage droit".
La pale s'amincit jusqu'à l'épaisseur zéro audit bord; La fig. 6 est un diagramme de la fatigue mécanique d'une hélice du même genre à ,)ef.- filage droit" à partir de la racine, la pale ayant une épaisseur définie à. son bord pé riphérique;
La fig. 7 est un diagramme de la fatigue mécanique d'une pale d'hélice telle que repré sentée aux fig. 1 à 3, l'extrémité ou bord périphérique de celle-ci ayant une épaisseur définie, et l'effilage étant tel qu'en. coupe ra diale de l'hélice ses. deux faces .donnent deux lignes courbes allant en se rapprochant à par tir de la racine jusqu'au bord périphérique.
Un tel effilage est appelé dans la suite, pour simplifier, "effilage courbe"; La fig. 8 est une coupe transversale ra diale, agrandie, d'une pale d'hélice telle que représentée aux fig. 1 à 3 et à laquelle s'ap plique le diagramme des efforts montré à la fig. 7; La fi-. 9 est une section transversale à travers le moyeu d'une hélice suivant la ligne IX-IX de la fig. 1; L a fig. 10 est une coupe radiale à travers une pale d'hélice et représente une forme de construction différente de celle de la fig. 2 pour figer les pales, au moyeu;
La fig- 11 est une vue en plan, dessinée à. une échelle réduite, d'une ébauche dont les pales d'hélice sont formées; La fig. 12 est une coupe radiale suivant la ligne V-V de la fig. 11; lia, fig. 13 est une coupe d'une pale d'hélice ayant une racine à dents de scie pour fixer la pale au moyeu; La fi-. 14 est une coupe d'une pale d'hélice ayant une forme de racine en queue d'aronde pour la fixer au moyeu; La fig. 15 est une vue de bout d'un moyeu d'hélice sur lequel est montée une pale d'hé lice incomplète;
La fig. 16 est une coupe partielle à tra vers une étampe à. forger, montrant une pale dans celle-ci; La fig. 17 est une coupe transversale à travers. une pale d'hélice ayant une épaisseur variant du bord menant (arête d'entrée) au bord suiveur (arête de sortie) de celle-ci; La fig. 18 est une vue en élévation d'une machine pour tourner des .disques d'ébauche d'hélice, et La fig. 19 -est une vue en plan d'une table de la machine montrée à la fig. 18 avec un disque d'ébauche d'hélice monté sur celle-ci.
L'hélice représentée aux fig. 1 à 3 com porte un moyeu 10 et deux pales d'hélice 11 fermées séparément et reliées à celui-ci. Cha cune des pales 11 a des bords menant 12 et suiveur<B>13</B> divergeant radialement, le bord périphérique ou extrémité 14 de chaque pale étant de longueur sensiblement plus grande que la racine 15. Comme on peut le voir à la fig. 1, l'aire de projection totale des pales <B>Il</B> comprend un pourcentage très important -de l'aire balayée par l'hélice.
On remarquera aussi, comme il est montré à la fig. 3-, que les pales ont une épaisseur uniforme de leurs bords menants 12 à leurs bords suiveurs<B>18.</B>
En général, on forme des pales d'hélice du genre précité au moyen d'une ébauche en forme de plaque, grâce à quoi la pale n'a pas seulement une épaisseur uniforme du bord menant au bord suiveur, mais aussi dans une direction allant de sa racine à son bord péri phérique.
Toutefois, on a trouvé que des pales ainsi formées sont soumises à. des efforts de tension excessifs se produisant dans leur racine en vertu de l'effet de la force centrifuge et que, pour réduire ces efforts de tension dans la ra cine, l'épaisseur de la pale d'hélice devra être réduite progressivement de la base 15 au bord périphérique 14.
Ceci peut être accompli en effilant convenablement les pales depuis leur racine à leur bord périphérique, et afin de réduire les efforts de tension à la racine de la pale à un minimum, un effilage "courbe" sera avantageusement employé, comme on peut le voir à la fig. 2,
dans la- quelle on remarquera que la pale diminue en é <B>6</B> paisseur depuis la racine 15 au bord périphé- rique 14 et qu'un effilage en creux ou "courbe" est prévu pour que les tensions pro voquées par la force centrifuge et se produi sant dans la racine 15 puissent être réduites à un minimum.
Ce qui précède se comprend par les dia grammes des fig. 4 à 7, dans lesquelles on a représenté, à titre d'exemple, une étude com parative des efforts de fatigue dans des pales d'hélice en diverses sections transversales. Les chiffres donnés dans ces diagrammes se rapportent à des calculs d'efforts faits pour une hélice du genre montré aux fig. 1 à 3 et employée dans un ventilateur et faisant cir culer 2831 mètres cubes d'air par minute à l'encontre d'une pression statique de 419 mil limètres de colonne d'eau. Dans le fonction nement à pleine capacité, les hélices sont com mandées à une vitesse de rotation de 3520 tours par minute.
Toutefois, lesdites figures représentent les efforts dans les pales pour une marche à approximativement 20 % de survitesse, ou une vitesse de 4320 tours par minute.
La fig. 4 montre une coupe d'une pale d'hélice ayant une épaisseur uniforme depuis son bord menant au bord suiveur et depuis sa racine ou base à son extrémité ou bord pé riphérique. Ceci est le genre de pale qui a été communément employé jusqu'à présent dans des ventilateurs à hélice dont on a déjà parlé. Le diagramme de la fig. 4 montre les aires des sections transversales (courbe a) et les efforts de tension (courbe b) se produi sant dans une pale d'hélice de ce genre.
Les distances radiales des sections envisagées sont indiquées comme abscisses. les aires des sections transversales comme ordonnées du côté droit de la courbe et les efforts de ten- ion comme ordonnées du côté gauche de la courbe. La pale a un rayon de 178 millimè tres à sa racine et de 533 millimètres à sa pointe ou bord périphérique.
Elle a une section transversale soumise à des tensions à sa ra cine de seulement 122 centimètres carrés et à son bord périphérique d'approximativement <B>303</B> centimètres carrés: L'aire de la section soumise à des tensions à n'importe quel rayon est égale à la longueur développée de la pale depuis le bord menant au bord suiveur, cor respondant à ce rayon, multipliée par l'épais seur de la pale à ce rayon.
Autrement dit, en examinant la fig. 3, il est apparent que l'aire de la section soumise à des tensions au bord périphérique est égale à la longueur dévelop pée mesurée de 12 à 13 multipliée par l'épais seur de la pale, tandis que l'aire de la section soumise à des tensions à la racine de la pale est égale à la longueur relativement plus courte 12'-13' multipliée par l'épaisseur re lativement plus grande de la pale. On remar quera en examinant la fig. 1 que les lon gueurs fléveloppées d'hélices du genre en visagé sont sensiblement plus grandes à la pé riphérie qu'à la base ou racine.
Par consé quent, si l'épaisseur de la pale est uniforme depuis sa racine à sa périphérie, la section soumise aux tensions est la plus grande à la périphérie et la plus petite à la base ou ra cine de la pale. La courbe représentée à la fi-. 4 montre que, à cause de l'aire plus petite près de la racine de pale et de la grande quantité de métal près de la périphérie, les efforts de tension à la racine sont excessive ment élevés. L'effort de tension à la racine d'une pale de ce genre dans les conditions susénoncées est de 24494 kg par 6,45 senti- mètres carrés.
Cet effort de tension peut être réduit en effilant la pale depuis sa racine à son bord périphérique. Le cas de limite pour cet effi lage est celui dans lequel la pale s'effile jus qu'à une épaisseur zéro à son bord périphé rique, comme à la fig. 5. Dans cette figure, on peut voir que la section sous tension aug mente de la périphérie jusque près de la ra cine et, par conséquent, un effort de tension de seulement 8799,8 kg par 6,45 centimètres carrés existe dans la racine de la pale. Toute fois, dans la pratique actuelle, la pale doit avoir une épaisseur définie quelconque à la périphérie, celle-ci dépendant de la grandeur de la pale. Une épaisseur de trois millimètres n'est pas déraisonnable pour l'hélice donnée ici comme exemple.
Une pale avec un effilage "droit" de la racine à la périphérie de la pale et une épaisseur à la périphérie de trois mil limètres est montrée à la fig. 6, l'aire des sections sous tension augmentant de la pé riphérie jusque près de la racine et l'effort de tension à. la racine étant de 10614 kg par 6,45 centimètres carrés.
On a trouvé qu'une pale à "effilage courbe" dont l'épaisseur diminue de la racine à la périphérie sera soumise à un effort de tension inférieur à celui d'une pale qui, en section radiale, présente un effilage "droit", comme représenté à la fig. 6.
A la fig. 7, on a montré une forme de pale qui présente un effilage en creux dit "courbe" et dans laquelle l'aire des sections transversales soumises aux efforts de tension diminue progressivement de la racine à la pé riphérie et qui implique un effort de tension maximum û la racine de la pale de seulement <B>7938</B> kg par 6,45 centimètres carrés.
A la fig. 8, on a montré à plus grande échelle une coupe radiale à travers une pale à laquelle s'appliquent les données de la courbe de la fig. 7.
En examinant cette fi gure, il est apparent que, pour faciliter la fa brication, la pale est formée de trois sections effilées à côtés droits 17, 18 et 19 se rejoi gnant par des courbes à grands rayons 21 et 22, le tout approchant de la forme d'une courbe continue. La surface des sections 17, 18 et 19 peut être considérée comme étant une surface courbée, du fait qu'une courbe peut être considérée comme étant composée d'un nombre infini de lignes droites reliées ensemble.
Comme on l'a déjà dit, une telle section de pale implique un effort de tension maximum à la portion-racine de seulement 7938 kg par 6,45 centimètres carrés.
Pair conséquent, il est avantageux de don ner à la pale la forme représentée aux fig. 1 à 3, c'est-à-dire de la rendre uniformément épaisse depuis le bord menant au bord sui- veur et de lui donner un effilage tait "courbe" depuis la. racine jusqu'à la périphérie, de façon à obtenir une section sous tension .diminuant progressivement de la racine au bord périphé rique de la pale.
En ce qui concerne les proportions des pales d'hélice envisagées, l'hélice est préféra- blement formée de façon que la surface de projection des pales constitue une portion im portante d'une surface de disque annulaire (aire balayée par l'hélice).
Comme on a mon tré à la fig. 1, la surface de projection est préférablement environ égale à 2/3 de la sur face de disque. De plus, comme montré à la fig. 8, il est préférable de maintenir le pas des pales constant de leur base à leur extré mité, tandis que le pas augmente du bord d'entrée ou menant 12 de la pale au bord de sortie ou suiveur 13.
Par exemple, dans la construction décrite, l'hélice a un diamètre de 105,4 cm, un pas de 86,36 cm à son bord me nant et un pas de 144,4 cm à sa bord suiveur. Le rapport entre les pas du bord suiveur et du bord menant est, par conséquent, égal à 1,67, mais il est évident qu'il peut varier lé gèrement.
Pour faciliter la fabrication de l'hélice, les pales 11 sont formées séparément @du moyeu 10 et y sont reliées après, par exem ple par voie de soudage ou brasage.
Suivant la fig. 2, on remarquera que la racine 15 de la pale est fixée dans un 6vide- ment ou rainure convenable 23 aménagée dans le moyeu, la pale étant brasée au moyeu comme on peut le voir en 24 et 24'.
La fig. 10 représente une pale 25 simi laire @à la pale 11 montrée à la fig. 2, sauf que le moyeu de l'hélice est pourvu de ner vures saillantes hélicoïdales 26 limitant une rainure 27 destinée à recevoir la racine de la pale. La pale peut alors être maintenue dans la rainure au moyen de rivets passant à tra vers les nervures 26 et la racine de la pale. TJ. est évident que d'autres moyens convena bles de fixation des pales au moyeu pour raient être employés.
Etant arrivé à une forme de pale d'hé lice qui est d'un poids minimum et d'une résistance mécanique maximum, il est égale ment avantageux de prévoir une forme de moyeu d'hélice qui présente les mêmes carac- -éristiques. A ce point de vue, le moyeu re présenté est établi sous forme de tambour pourvu d'une nervure annulaire intérieure disposée centralement 31 (fig. 9), qui est per cée en 32 pour recevoir l'arbre de l'hélice (non représenté).
Cette nervure 31 est soli daire de la paroi du tambour de moyeu 33 et est pourvue de rebords annulaires s'éten dant latéralement 34 pour former une portée allongée pour l'arbre et ainsi augmenter la rigidité de la construction complète.
Pour empêcher des déformations provo quées par la force centrifuge, des disques- entretoises 35 et 36 sont engagés dans les ex trémités opposées du tambour de moyeu 33 et y sont fixés à demeure, préférablement par fusion de métal, par exemple par soudage en 37. Les disques 35 et 36 sont percés pour le passage de l'arbre d'hélice, en 38 et 39, res pectivement, et, bien que ces disques ne soient pas représentés comme étant pourvus de rebords -d'appui, tels que les rebords 34 sur la nervure de support 31, il est évident que de pareils rebords pourraient y être pré vus, soit sur l'un des disques ou sur les deux disques, si les conditions le rendaient désira ble.
De plus, des organes de butée formés par des nervures annulaires intérieures 41 sont prévus sur la paroi intérieure du tambour de moyeu 33 près de chaque extrémité de ce dernier pour servir d'arrêts pour les disques de support respectifs. Cette simple -disposi tion permet d'accélérer considérablement l'as- sembla.ge de ces disques de support :de bout, du fait qu'elle détermine la bonne mise en po sition des disques respectifs en ce sens qu'il suffit de pousser simplement chaque disque dans le tambour jusqu'à ce qu'il bute contre son organe de butée respectif, après quoi il peut être soudé au tambour comme indiqué en 37.
Bien que dans l'exemple décrit, on ait prévu une forme de pale d'hélice dans laquelle les deux surfaces de travail de la pale s'incur vent depuis leurs racines à leurs bords péri phériques, il est évident que les hélices con- nues jusqu'à présent peuvent être sensible ment perfectionnées en formant seulement une des surfaces de travail de leurs pales de façon qu'elle donne une courbe dans une coupe radiale, la pale étant effilée,de façon à avoir une section qui diminue progressive ment.
Bien qu'il soit entendu que cette der nière forme rentre dans le cadre de l'inven tion, il est avantageux, comme on l'a repré senté au dessin, de cintrer les deux surfaces de travail des pales, afin de rendre les pales plus symétriques, et afin d'éviter une charge excentrique de celles-ci. De plus, bien qu'on ait décrit jusqu'à présent une hélice ayant une grande surface de projection en compa raison de la surface balayée et mie épaisseur de pale uniforme depuis le bord menant au bord suiveur,
on peut aussi prévoir -des sec tions transversales â aires diminuant progres sivement des racines aux bords périphériques dans des hélices dans lesquelles l'épaisseur des pales n'est pas uniforme depuis le bord menant au bord suiveur.
Dans le procédé suivant l'invention, les pales de l'hélice sont fabriquées séparément du moyeu et sont ensuite reliées à celui-ci. La fig. 11 représente une ébauche plate 50 sous forme de disque annulaire à partir de laquelle les pales d'hélice sont formées. L'ébauche 50 est usinée de façon à présenter une section ra diale telle que montrée à la fig. 12, cette section correspondant, comme on le remar quera, à la section de la pale d'hélice montrée à la fig. 3.
De cette façon, on -donne à la pale l'effilage en creux approprié depuis sa, racine 15 à son bord périphérique 14. Un disque pa reil peut être tourné à la dimension désirée et être effilé exactement pour une dépense relativement petite.
On peut même, si on le désire, soumettre les pales à un polissage parfait pendant qu'elles sont encore réunies sous forme de disque. Bien qu'il soit préférable -de former l'ébauche en disque 50 en la travaillant à la machine, il est évident qu'elle peut aussi être formée de toute autre manière connue, par exemple par voie de forgeage, de laminage, d'estampage, ete. Les pales de l'hélice ont de préférence leurs racines :disposées en quelque sorte en pas d'hélice autour du moyeu. En dévelop pant une de ces pales dans un plan., on trou vera que sa racine détermine sensiblement l'arc d'un cercle ayant approximativement deux fois le diamètre du moyeu de l'hélice.
Par conséquent, l'ébauche en disque 50 est formée de façon à avoir un diamètre intérieur qui est approximativement égal @à deux fois le diamètre de la rainure de retenue dans le moyeu de l'hélice, tandis que sa largeur ra diale est approximativement égale à la lon gueur d'une pale de sa racine à son extré mité ou bord périphérique.
Par conséquent, en prévoyant une ébauche plate 50 en forme de disque annulaire (fig. 11) ayant sensiblement la même sec tion radiale que les pales (fig. 3) et ayant un diamètre intérieur 50' d'environ deux fois ce lui de la rainure du moyeu (fig. 3), on peut obtenir plusieurs pales, par exemple au nom bre de quatre, en découpant simplement le disque en segments, comme on le voit à la fig. 11 qui représente un disque 50<B>à</B> quatre segments 51, 52, 53 et 54.
Après que ces ,seg ments ont été coupés dans le disque 50, ils peuvent être courbés ou gauchis de façon à leur donner la forme et le pas voulus (fig. 3), après quoi les pales ainsi formées peuvent être fixées dans la rainure du moyeu, par exemple en les soudant en 24 et 24' (fig. 2).
Il ressort de ce qui précède qu'avec le pro cédé décrit pour fabriquer les hélices, les pa les de l'hélice peuvent être fabriquées facile ment, rapidement et à bon marché. On re marquera que tout le travail à la machine peut être exécuté pendant que les pales sont des parties du disque et que le travail à la machine se fait sur quatre pales ù la fois. De cette façon, toutes les opérations d'usinage peuvent être accomplies avant que les pales soient tordues pour leur donner la forme fi nale.
Ceci est d'une importance considérable, particulièrement au point de vue de la fa brication, parce que si les pales sont usinées à la machine après qu'elles sont coulées ou forgées, ce qui a été considéré jusqu'à pré- sent comme étant absolument nécessaire, les opérations d'usinage deviennent longues, la borieuses et très coûteuses, en raison de la forme irrégulière des pales. Le procédé sui vant l'invention pour fabriquer et assembler les pales simplifie et raccourcit, par consé quent, considérablement la fabrication tout en réduisant le prix de revient d'hélices du genre envisagé.
Bien qu'on ait montré à la fig. 2 un moyen pour figer les pales dans une rainure du moyeu d'hélice par soudage en 24 et 24', il est évident que d'autres moyens de fixation pourraient être employés, comme, par exem ple, des dispositifs à saillies ou à dentures de verrouillage prévues sur la racine de chaque pale. La fig. 13 montre une pale 55 qui a une racine 56 pourvue de dents de scie 57 dont les faces latérales divergent vers le bord périphérique de la pale, tandis qu'en fig. 14, une pale 18 est montrée, dans la quelle les parois latérales de la racine 60 divergent vers la base de celle-ci.
Dans cha cune de ces figures, on remarquera que les parties saillantes de la racine de la pale sont destinées à, s'engager dans des évidements aménagés dans les parois latérales de la rai nure du moyeu de l'hélice. Les pales mon trées aux fig. 13 et 14 sont montées sur leurs moyeux correspondants en insérant ou glis sant leur racine dans les rainures respectives, celles-ci ayant des extrémités ouvertes dans les faces transversales des moyeux.
Lorsque les pales sont fixées au moyeu de l'hélice par les moyens représentés aux fig. 13 et 14, c'est-à-dire en glissant les pales dans la rainure du moyeu, la racine de la pale ayant été tournée en un cercle parfait, du fait qu'elle a été découpée dans un disque circulaire de la manière dont on a déjà parlé, ne coïncidera ordinairement pas exactement avec la rainure hélicoïdale :
du moyeu et, bien que la différence en courbure soit tellement petite qu'elle peut être considérée comme né gligeable avec les moyens de fixation des pa les par soudage, comme à la fig. 3, cette dif férence de courbure peut cependant devenir gênante, lorsque les racines des pales sont pourvus de dents de scie ou de saillies laté rales qui sont. glissées ou insérées dans des évidements correspondants de la rainure de retenue du moyeu.
A 'la fi,. 15, on a montré un moyeu cy lindrique 61. sur lequel est montée une pale d'hélice (dessinée en lignes pointillées) du genre représenté à la fig. 14. On remarquera que la courbure de la base de la pale et la. courbure du fond de la. rainure dans le moyeu de l'hélice sont différentes.
La diffé rence maximum entre ces courbes, ou le dé placement relatif maximum d'une courbe par rapport à l'autre est indiqué par la lettre de référence a'. Il convient de faire remarquer que dans la construction d'un genre ou l'autre d'hélice qu'on a décrit ci-dessus, une relation définie entre n' et la. profondeur ou dimension radiale des dentures ou de la racine de la pale telle qu'indiquée par la lettre de réfé rence b' aux fi-. 13 et 14 est nécessaire, comme il est expliqué plus loin, cette relation devant être telle que a' soit plus petit que b'. Aussi longtemps que cette relation est maintenue, il importe peu que le rayon de courbure. de la rainure de retenue soit plus grand ou plus petit que le rayon de courbure de la base de la racine de la pale.
La fil;. 16 représente une étampe 62 pour changer le rayon de courbure de la base de la racine de pale, de façon à se conformer avec la rainure du moyeu. On comprendra par cette fi gure que, comme la dimension a' est plus pe- tite que la dimension b', l'étampe 62 peut réaliser un agrippement sur les parois laté rales 59 de la racine 60, de façon à forcer la racine de la pale à avancer de la. distance a', c'est-à-dire jusqu'au point 63 de l'étampe 62. de façon que la courbure de la racine de la pale coïncidera exactement avec celle du fond de la rainure du moyeu d'hélice.
Il res sort aussi de la fi--. 16 que, si la distance a' était plus grande que b', il serait impossible d'amener l'étampe 62 à attaquer la racine 60 dans une partie intermédiaire quelconque, par exemple au point 64. Pour une pale telle que représentée à la. fig. 13, si ces conditions n'étaient pas remplies, les rainures ou den tures dans l'étampe 62 croiseraient les rai nures dans la racine de la pale et dans une condition pareille, il serait impossible à l'ou til de réaliser une attaque convenable sur la racine et, par suite, il serait impossible de gauchir la racine de la pale à sa forme con venable.
Les hélices décrites ci-dessus sont pour vues de pales qui, bien qu'elles diminuent en épaisseur depuis leur racine à leur partie pé riphérique, ont une épaisseur uniforme de puis leur bord menant à leur bord suiveur. Toutefois, le procédé de fabrication décrit est aussi applicable à des hélices dans lesquelles l'épaisseur des pales varie du bord menant au bord suiveur. On a représenté à. la fig. 17, à titre de variante, une section transversale d'une pale d'hélice 66 d'une forme connue en aérodynamique, ayant un bord menant rela tivement épais 67 et un bord suiveur relative ment mince 68.
Pour former des pales du genre représenté à la. fig. 17 suivant le procédé décrit, ou pour produire des pales d'hélice ayant n'importe quel ordre de grandeur d'épaisseur variable depuis leur bord menant à leur bord suiveur, le disque montré à la fig. 11 peut être monté sur une machine à table tournante, par exem ple sur la, table 70 d'une raboteuse désignée dans l'ensemble par 71 dans les fig. 18 et 19.
Un outil convenable 72 est disposé de façon connue pour pouvoir être déplacé librement dans une direction perpendiculaire. à la table 70, et pour produire un tel mouvement sui vant une loi donnée pour obtenir l'épaisseur désirée des pales, une came 73 est prévue au tour de la table, un galet 74 est disposé pour glisser sur cette came et provoquer suivant les contours de celle-ci, l'abaissement et le soulè vement de l'outil 72, de façon à réaliser la. profondeur de coupe voulus dans l'ébau che 75.
Comme on pourra le voir, le profil de la came 73 est établi de façon que le disque peut être ensuite coupé en quatre sections ou ébauches de pale, chaque ébauche de pale ayant un bord menant relativement épais cor respondant aux parties 77 de la came et un bord suiveur relativement mince correspon dant aux parties 78 de la came. Dans la ma chine représentée, l'outil 72 est maintenu sta tionnaire, tandis que la table est disposée pour tourner, l'essentiel étant toutefois qu'un mouvement relatif soit produit entre l'outil à couper et le disque-ébauche. La forme de la came peut être variée pour produire des pales ayant des courbures variées depuis .leur bord menant à leur bord suiveur.
Comme on l'a déjà dit, le disque-ébauche est coupé en serments 81, 82, 83 et 84 après avoir été usiné à la machine, ces segments étant ensuite gauchis ou courbés de façon à recevoir la forme désirée avant de les monter sur le moyeu de l'hélice.
Propeller and process for its manufacture. The invention relates to a propeller comprising a hub and blades, these blades having their working surfaces shaped so as to determine a blade cross section gradually decreasing from the root of the. blade to the end of it. Such a propeller can be made to be relatively lighter in weight, while having greater mechanical strength than the propellers produced so far, and to reduce the mechanical fatigue stresses manifested especially in the roots. blades of such a propeller.
Preferably, the blades have a uniform thickness from their edge leading to their trailing edge.
The invention further relates to a process for manufacturing propellers of this kind, characterized in that blanks having the final thickness of the propeller blades are formed, that these blanks are warped so as to be. bring them to the state of propeller blades and that they are mounted on a hub.
The appended drawing shows, by way of example, some embodiments of the propeller according to the present invention.
Fig. 1 is a plan view of a propeller; Fig. 2 is a radial section of a propeller blade taken perpendicular to its working faces; Fig. $ is a developed view of the peripheral edge of one of the blades shown in FIG. 1 and a cross section through the root of the same blade; Fig. 4 is a comparative diagram of the mechanical fatigue of a propeller blade of the kind shown in FIGS. 1 to 3, except that it has a uniform thickness of the. root at peripheral edge;
Fig. 5 is a diagram of the mechanical fatigue of a tapered propeller blade such that in radial section of the propeller, the two faces give two converging lines from the root to the peripheral edge. This tapering is referred to hereinafter for convenience as "straight tapering".
The blade thins to zero thickness at said edge; Fig. 6 is a diagram of the mechanical fatigue of a similar propeller at "straight spinning" from the root, the blade having a defined thickness at its peripheral edge;
Fig. 7 is a diagram of the mechanical fatigue of a propeller blade as shown in FIGS. 1 to 3, the end or peripheral edge thereof having a defined thickness, and the taper being as in. radial section of the helix ses. two faces. give two curved lines going by approaching by shooting from the root to the peripheral edge.
Such a tapering is called hereinafter, for simplicity, "curved tapering"; Fig. 8 is an enlarged radial cross section of a propeller blade as shown in FIGS. 1 to 3 and to which the force diagram shown in fig. 7; The fi-. 9 is a cross section through the hub of a propeller taken along line IX-IX of FIG. 1; L a fig. 10 is a radial section through a propeller blade and shows a form of construction different from that of FIG. 2 to fix the blades, at the hub;
Fig- 11 is a plan view, drawn at. a reduced scale, of a blank from which the propeller blades are formed; Fig. 12 is a radial section taken along the line V-V of FIG. 11; lia, fig. 13 is a sectional view of a propeller blade having a sawtooth root for securing the blade to the hub; The fi-. 14 is a sectional view of a propeller blade having a dovetail root shape for securing it to the hub; Fig. 15 is an end view of a propeller hub on which an incomplete propeller blade is mounted;
Fig. 16 is a partial cut through to a die. forging, showing a blade in it; Fig. 17 is a cross section through. a propeller blade having a thickness varying from the leading edge (entry edge) to the trailing edge (exit edge) thereof; Fig. 18 is an elevational view of a machine for turning propeller blank discs, and FIG. 19 -is a plan view of a table of the machine shown in FIG. 18 with a propeller blank disc mounted thereon.
The propeller shown in fig. 1 to 3 com carries a hub 10 and two propeller blades 11 separately closed and connected to it. Each of the blades 11 has leading edges 12 and follower <B> 13 </B> diverging radially, the peripheral edge or end 14 of each blade being of length substantially greater than the root 15. As can be seen at fig. 1, the total projection area of the blades <B> II </B> comprises a very large percentage of the area swept by the propeller.
It will also be noted, as shown in FIG. 3-, that the blades have a uniform thickness from their leading edges 12 to their following edges <B> 18. </B>
In general, propeller blades of the aforementioned kind are formed by means of a plate-shaped blank, whereby the blade has not only a uniform thickness from the edge leading to the trailing edge, but also in a direction from from its root to its peripheral edge.
However, it has been found that blades thus formed are subjected to. excessive tension forces occurring in their root by virtue of the effect of centrifugal force and that, in order to reduce these tension forces in the root, the thickness of the propeller blade will have to be gradually reduced from the base 15 at the peripheral edge 14.
This can be accomplished by properly tapering the blades from their root to their peripheral edge, and in order to reduce the tension forces at the root of the blade to a minimum, "curved" tapering will advantageously be employed, as can be seen at fig. 2,
in which it will be noted that the blade decreases in thickness from the root 15 to the peripheral edge 14 and that a hollow or "curved" taper is provided so that the tensions caused by centrifugal force and occurring in the root 15 can be reduced to a minimum.
The above is understood by the diameters of figs. 4 to 7, in which there is shown, by way of example, a comparative study of the fatigue forces in propeller blades in various cross sections. The figures given in these diagrams relate to calculations of forces made for a propeller of the kind shown in figs. 1 to 3 and used in a ventilator and circulating 2831 cubic meters of air per minute against a static pressure of 419 mil limeters of water column. In full capacity operation, the propellers are driven at a rotational speed of 3520 rpm.
However, said figures represent the forces in the blades for operation at approximately 20% overspeed, or a speed of 4320 revolutions per minute.
Fig. 4 shows a section through a propeller blade having a uniform thickness from its edge leading to the follower edge and from its root or base to its end or peripheral edge. This is the kind of blade that has heretofore been commonly used in propeller fans discussed earlier. The diagram in fig. 4 shows the areas of the cross-sections (curve a) and the tensile forces (curve b) occurring in a propeller blade of this kind.
The radial distances of the sections envisaged are indicated as abscissa. the areas of the cross sections as ordinates on the right side of the curve and the tensile forces as ordinates on the left side of the curve. The blade has a radius of 178 millimeters at its root and 533 millimeters at its tip or peripheral edge.
It has a cross-section subjected to tensions at its root of only 122 square centimeters and at its peripheral edge of approximately <B> 303 </B> square centimeters: The area of the section subjected to tensions at n ' any radius is equal to the developed length of the blade from the edge leading to the trailing edge, corresponding to this radius, multiplied by the thickness of the blade at this radius.
In other words, by examining fig. 3, it is apparent that the area of the section subjected to tensions at the peripheral edge is equal to the developed length measured from 12 to 13 multiplied by the thickness of the blade, while the area of the section subjected at stresses at the root of the blade is equal to the relatively shorter length 12'-13 'multiplied by the relatively greater thickness of the blade. It will be noted by examining fig. 1 that the deflected lengths of helices of the genus in face are appreciably greater at the periphery than at the base or root.
Therefore, if the thickness of the blade is uniform from its root to its periphery, the section subjected to stress is greatest at the periphery and smallest at the base or root of the blade. The curve shown in fi-. 4 shows that, because of the smaller area near the blade root and the large amount of metal near the periphery, the root tension forces are excessively high. The tensile stress at the root of such a blade under the above conditions is 24494 kg per 6.45 square sentimeters.
This tension force can be reduced by tapering the blade from its root to its peripheral edge. The limit case for this tapering is that in which the blade tapers to zero thickness at its peripheral edge, as in FIG. 5. In this figure, it can be seen that the section under tension increases from the periphery to near the root and, therefore, a tension force of only 8799.8 kg per 6.45 square centimeters exists in the root. of the blade. However, in current practice, the blade must have any defined thickness at the periphery, the latter depending on the size of the blade. A thickness of three millimeters is not unreasonable for the propeller given here as an example.
A blade with a "straight" taper from the root to the periphery of the blade and a thickness at the periphery of three mil limeters is shown in fig. 6, the area of the sections under tension increasing from the periphery to near the root and the tension force at. the root being 10,614 kg per 6.45 square centimeters.
It has been found that a blade with "curved taper" whose thickness decreases from the root to the periphery will be subjected to a tension force lower than that of a blade which, in radial section, has a "straight" taper, as shown in fig. 6.
In fig. 7, a blade shape has been shown which has a so-called "curved" hollow taper and in which the area of the cross sections subjected to tension forces gradually decreases from the root to the periphery and which implies a maximum tension force. û the root of the blade of only <B> 7938 </B> kg per 6.45 square centimeters.
In fig. 8, a radial section through a blade has been shown on a larger scale to which the data of the curve of FIG. 7.
On examining this figure, it is apparent that, to facilitate fabrication, the blade is formed of three tapered sections with straight sides 17, 18 and 19 joined by large radius curves 21 and 22, the whole approaching the shape of a continuous curve. The surface of sections 17, 18 and 19 can be considered to be a curved surface, since a curve can be considered to be composed of an infinite number of straight lines connected together.
As has already been said, such a blade section involves a maximum tension force at the root portion of only 7938 kg per 6.45 square centimeters.
Therefore, it is advantageous to give the blade the shape shown in FIGS. 1 to 3, that is, to make it uniformly thick from the leading edge to the trailing edge and to give it a "curved" taper from the. root to the periphery, so as to obtain a section under tension gradually decreasing from the root to the peripheral edge of the blade.
With regard to the proportions of the propeller blades envisaged, the propeller is preferably formed so that the projection surface of the blades constitutes a significant portion of an annular disc surface (area swept by the propeller). .
As we have my tré in fig. 1, the projection surface is preferably approximately equal to 2/3 of the surface area of the disc. In addition, as shown in fig. 8, it is preferable to keep the pitch of the blades constant from their base to their end, while the pitch increases from the inlet or leading edge 12 of the blade to the outlet or follower edge 13.
For example, in the construction described, the propeller has a diameter of 105.4 cm, a pitch of 86.36 cm at its leading edge and a pitch of 144.4 cm at its following edge. The ratio between the steps of the trailing edge and the leading edge is, therefore, equal to 1.67, but it is obvious that it can vary slightly.
To facilitate the manufacture of the propeller, the blades 11 are formed separately @du hub 10 and are connected thereto afterwards, for example by welding or brazing.
According to fig. 2, it will be noted that the root 15 of the blade is fixed in a suitable recess or groove 23 provided in the hub, the blade being brazed to the hub as can be seen at 24 and 24 '.
Fig. 10 shows a blade 25 similar to the blade 11 shown in FIG. 2, except that the propeller hub is provided with projecting helical ribs 26 limiting a groove 27 intended to receive the root of the blade. The blade can then be held in the groove by means of rivets passing through the ribs 26 and the root of the blade. TJ. It is evident that other suitable means of securing the blades to the hub could be employed.
Having arrived at a propeller blade shape which is of minimum weight and maximum mechanical strength, it is also advantageous to provide a propeller hub shape which has the same characteristics. From this point of view, the hub shown is established in the form of a drum provided with an internal annular rib arranged centrally 31 (fig. 9), which is drilled at 32 to receive the propeller shaft (not shown). ).
This rib 31 is integral with the wall of the hub drum 33 and is provided with annular flanges extending laterally 34 to form an elongated bearing surface for the shaft and thereby increase the rigidity of the complete construction.
To prevent deformations caused by centrifugal force, spacer discs 35 and 36 are engaged in the opposing ends of the hub drum 33 and are fixed therein, preferably by melting metal, for example by welding at 37. The discs 35 and 36 are drilled for the passage of the propeller shaft, at 38 and 39, respectively, and, although these discs are not shown as being provided with bearing flanges, such as the flanges 34 on the support rib 31, it is evident that such flanges could be provided therein, either on one of the discs or on both discs, if conditions made it desirable.
In addition, stop members formed by inner annular ribs 41 are provided on the inner wall of the hub drum 33 near each end thereof to serve as stops for the respective support discs. This simple arrangement makes it possible to considerably speed up the assembly of these support discs: from the end, since it determines the correct positioning of the respective discs in the sense that it suffices to push simply each disc in the drum until it abuts its respective stopper member, after which it can be welded to the drum as shown at 37.
Although in the example described, a form of propeller blade has been provided in which the two working surfaces of the blade curve from their roots to their peripheral edges, it is obvious that the known propellers heretofore can be substantially improved by forming only one of the working surfaces of their blades so that it curves in a radial section, the blade being tapered, so as to have a section which gradually decreases.
Although it is understood that this last form comes within the scope of the invention, it is advantageous, as has been shown in the drawing, to bend the two working surfaces of the blades, in order to make the blades more symmetrical, and in order to avoid an eccentric load thereof. In addition, although a propeller has heretofore been described having a large projection area in comparison to the swept area and uniform blade thickness from the leading edge to the trailing edge,
it is also possible to provide transverse sections with gradually decreasing areas from the roots to the peripheral edges in helices in which the thickness of the blades is not uniform from the edge leading to the trailing edge.
In the process according to the invention, the blades of the propeller are manufactured separately from the hub and are then connected to the latter. Fig. 11 shows a flat blank 50 in the form of an annular disc from which the propeller blades are formed. The blank 50 is machined so as to have a radial section as shown in FIG. 12, this section corresponding, as will be noted, to the section of the propeller blade shown in FIG. 3.
In this way, the blade is given the appropriate hollow taper from its root 15 to its peripheral edge 14. A pa reil disc can be rotated to the desired size and tapered exactly at relatively little expense.
It is even possible, if desired, to subject the blades to a perfect polishing while they are still united in the form of a disc. Although it is preferable to form the disc blank 50 by machine working it, it is obvious that it can also be formed in any other known way, for example by forging, rolling, milling. stamping, ete. The blades of the propeller preferably have their roots: arranged in a sort of propeller pitch around the hub. By developing one of these blades in a plane, it will be found that its root substantially determines the arc of a circle having approximately twice the diameter of the propeller hub.
Therefore, the disc blank 50 is formed to have an inner diameter which is approximately equal to twice the diameter of the retaining groove in the propeller hub, while its radial width is approximately equal. at the length of a blade from its root to its end or peripheral edge.
Therefore, by providing a flat blank 50 in the form of an annular disc (Fig. 11) having substantially the same radial section as the blades (Fig. 3) and having an internal diameter 50 'of about twice that of the blade. hub groove (fig. 3), several blades can be obtained, for example four in number, by simply cutting the disc into segments, as seen in fig. 11 which represents a disc 50 <B> to </B> four segments 51, 52, 53 and 54.
After these segments have been cut in the disc 50, they can be bent or warped to give them the desired shape and pitch (Fig. 3), after which the blades thus formed can be fixed in the groove of the hub, for example by welding them at 24 and 24 '(fig. 2).
It emerges from the above that with the process described for manufacturing the propellers, the parts of the propeller can be manufactured easily, quickly and inexpensively. It will be appreciated that all machine work can be performed while the blades are parts of the disc and machine work is done on four blades at a time. In this way, all machining operations can be accomplished before the blades are twisted to give them the final shape.
This is of considerable importance, particularly from the point of view of manufacture, because if the blades are machine-machined after they are cast or forged, which has hitherto been considered to be absolutely necessary, the machining operations become long, time consuming and very expensive, due to the irregular shape of the blades. The method according to the invention for manufacturing and assembling the blades consequently simplifies and shortens considerably the manufacture while reducing the cost price of propellers of the kind envisaged.
Although it has been shown in fig. 2 a means for fixing the blades in a groove of the propeller hub by welding at 24 and 24 ', it is obvious that other fastening means could be used, such as, for example, devices with protrusions or teeth lock provided on the root of each blade. Fig. 13 shows a blade 55 which has a root 56 provided with saw teeth 57 whose side faces diverge towards the peripheral edge of the blade, while in FIG. 14, a blade 18 is shown, in which the side walls of the root 60 diverge towards the base thereof.
In each of these figures, it will be noted that the projecting parts of the root of the blade are intended to engage in recesses made in the side walls of the groove of the hub of the propeller. The blades shown in fig. 13 and 14 are mounted on their corresponding hubs by inserting or sliding their root in the respective grooves, the latter having open ends in the transverse faces of the hubs.
When the blades are fixed to the propeller hub by the means shown in FIGS. 13 and 14, i.e. by sliding the blades into the groove of the hub, the root of the blade having been turned in a perfect circle, due to the fact that it was cut from a circular disc in the way in which we have already spoken, will ordinarily not coincide exactly with the helical groove:
of the hub and, although the difference in curvature is so small that it can be considered as negligible with the means of fixing the pa les by welding, as in fig. 3, this difference in curvature can however become troublesome, when the roots of the blades are provided with saw teeth or lateral protrusions which are. slipped or inserted into corresponding recesses in the hub retaining groove.
A 'la fi ,. 15, a cylindrical hub 61 has been shown, on which is mounted a propeller blade (drawn in dotted lines) of the kind shown in FIG. 14. Note that the curvature of the base of the blade and the. curvature of the bottom of the. groove in the propeller hub are different.
The maximum difference between these curves, or the maximum relative displacement of one curve with respect to the other is indicated by the reference letter a '. It should be noted that in the construction of one or the other kind of helix described above, a definite relationship between n 'and la. depth or radial dimension of the teeth or of the root of the blade as indicated by the reference letter b 'in the fi-. 13 and 14 is necessary, as explained below, this relation having to be such that a 'is less than b'. As long as this relationship is maintained, the radius of curvature does not matter. of the retaining groove is greater or less than the radius of curvature of the base of the root of the blade.
The thread;. 16 shows a stamp 62 for changing the radius of curvature of the base of the blade root, so as to conform with the groove of the hub. It will be understood from this figure that, as the dimension a 'is smaller than the dimension b', the stamp 62 can grip the side walls 59 of the root 60, so as to force the root of the blade to advance from the. distance a ', that is to say up to point 63 of the stamp 62, so that the curvature of the root of the blade will exactly coincide with that of the bottom of the groove of the propeller hub.
He also comes out of the fi--. 16 that, if the distance a 'were greater than b', it would be impossible to cause the stamp 62 to attack the root 60 in any intermediate part, for example at point 64. For a blade as shown in . fig. 13, if these conditions were not fulfilled, the grooves or dentures in the stamp 62 would cross the grooves in the root of the blade and in such a condition it would be impossible for the tool to achieve a suitable attack. on the root and, consequently, it would be impossible to warp the root of the blade to its suitable shape.
The propellers described above are for views of blades which, although they decrease in thickness from their root to their peripheral part, have a uniform thickness from then their edge leading to their follower edge. However, the described manufacturing method is also applicable to propellers in which the thickness of the blades varies from the leading edge to the follower edge. We have represented at. fig. 17, alternatively, a cross section of a propeller blade 66 of a form known in aerodynamics, having a relatively thick leading edge 67 and a relatively thin trailing edge 68.
To form blades of the kind shown in. fig. 17 according to the method described, or to produce propeller blades having any order of magnitude of varying thickness from their edge leading to their trailing edge, the disc shown in FIG. 11 may be mounted on a rotary table machine, for example on the table 70 of a planer generally designated 71 in Figs. 18 and 19.
A suitable tool 72 is arranged in a known manner so that it can be moved freely in a perpendicular direction. to the table 70, and to produce such a movement following a given law to obtain the desired thickness of the blades, a cam 73 is provided around the table, a roller 74 is arranged to slide on this cam and cause, according to the contours thereof, the lowering and lifting of the tool 72, so as to achieve the. desired depth of cut in the blank che 75.
As will be seen, the profile of the cam 73 is set so that the disc can then be cut into four blade sections or blanks, each blade blank having a relatively thick leading edge corresponding to portions 77 of the cam and a relatively thin follower edge corresponding to the parts 78 of the cam. In the machine shown, the tool 72 is held stationary, while the table is arranged to rotate, the main thing however being that a relative movement is produced between the tool to be cut and the blank disc. The shape of the cam may be varied to produce blades having varying curvatures from their edge leading to their follower edge.
As already said, the disc-blank is cut into oaths 81, 82, 83 and 84 after having been machine-machined, these segments then being warped or bent so as to receive the desired shape before mounting them on the propeller hub.