FR2486906A1 - Amortisseur de vibrations pour rotor d'helicoptere et helicoptere equipe d'un tel amortisseur - Google Patents

Abstract

HELICOPTERE COMPRENANT UN ROTOR PRINCIPAL DE SUSTENTATION DONT LA TETE SUPPORTE DES PALES QUI TOURNENT AUTOUR D'UN AXE SENSIBLEMENT VERTICAL. UN AMORTISSEUR DE VIBRATIONS 12 COMPORTANT DES ORGANES DE SUPPORT 16 EST MONTE SUR LA TETE DE ROTOR CONCENTRIQUEMENT A L'AXE DE ROTATION 11. UNE MASSE 22-23 DISPOSEE AU CENTRE DES ORGANES DE SUPPORT EST POSITIONNEE PAR DES BRAS ELASTIQUES 18 QUI FORMENT UNE SPIRALE ESPACEE ENTRE LES ORGANES DE SUPPORT ET LA MASSE. LA MASSE PEUT SE DEPLACER ELASTIQUEMENT UNIFORMEMENT DANS N'IMPORTE QUELLE DIRECTION A L'INTERIEUR DE SON PLAN DE ROTATION, RADIALEMENT A L'AXE DE ROTATION. APPLICATION A L'ANNULATION DES FORCES DE VIBRATION EN PLAN DE FREQUENCES DIFFERENTES AGISSANT SUR LES ROTORS D'HELICOPTERES.

Description

AMORTISSEUR DE VIBRATIONS POUR ROTOR d'HELICOPTERE ET HELI
COPTERE EQUIPE D'UN TEL AMORTISSEUR
L'invention concerne les hélicoptères et vise notamment les hélicoptères comportant des amortisseurs de vibrations pour supprimer ou notablement diminuer les forces de vibrations en plan (ou horizontales) qui agissent sur le rotor principal de sustentation.

Les forces de vibration en plan qui sont gênantes proviennent de vibrations de fréquence (n-l) et (n+l) respectivement. Par vibrations de fréquence (n-l), il faut entendre les vibrations qui oscillent à une fréquence égale au nombre de pales (n) moins un, multiplié par le nombre de tours/minute du rotor, c'est à dire (n-l) x tours/minute du rotor, et par vibrations de fréquence (n+l) il faut entendre les vibrations qui oscillent à une fréquence égale au nombre de pales (n) plus un, multiplié par les nombres de tours/minute du rotor, c'est-à-dire (n+l) x tours/minute du rotor. Pour un rotor à quatre pales par exemple, ces vibrations sont aussi quelquefois dénommées vibrations 3 R et 5 R.

Le brevet britannique 1528 057 décrit déjà un dispositif pour simultanément réduire ou annuler lesforces de vibrations en plan. Dans cet agencement, une masse circulaire est portée par des bras élastiques reliés à un moyeu qu'on peut monter sur la tête du rotor d'un hélicoptère, de façon qu'en fonctionnement, la masse soit entraînée en rotation autour d'un axe coïncidant avec l'axe de rotation de la tête du rotor. La situation périphérique de la masse signifie que son poids et ses dimensions ont une portée directe sur le diamètre extérieur de l'amortisseur, ce qui peut donner un amortisseur ayant une surface frontale telle qu'elle risque de provoquer de fortes charges de traînée en fonctionnement.

L'invention a pour objet un hélicoptère comprenant un rotor principal de sustentation qui comprend une tête de rotor et une pluralité de pales de rotor s'étendant radialement de façon à pouvoir tourner autour d'un axe sensiblement vertical ; un amortisseur de vibrations comprenant des organes de support disposés concentriquement à l'axe de rotation de manière à tourner avec le rotor, et une masse disposée au centre par rapport aux organes de support et positionnée par une pluralité de bras élastiques qui forment une spirale espacée entre les organes de support et la masse, de façon à permettre, en rotation, un déplacement élastique sensiblement uniforme de la masse, dans n'importe quelle direction à l'intérieur de son plan de rotation, radialement par rapport audit axe de rotation.

La masse comprend avantageusement un poids circulaire disposé en dessous desdits bras, symétriquement et radialement par rapport à l'axe de rotation, ledit poids étant confiné dans une zone embrassée par les bras. La masse peut en outre comprendre un poids circulaire disposé au dessus des bras, symétriquement et radialement par rapport à l'axe de rotation, ce poids s'étendant dans une zone embrassée par lesdits bras.

Les organes de support peuvent comprendre une pluralité de montants verticaux, en nombre égal à celui des bras, qui sont fixés à une surface supérieure de la tête du rotor, symétriquement à son axe de rotation, chacun desdits montants supportant l'extrémité extérieure de l'un des bras;
Les poids peuvent être avantageusement supportés à l'extrémité d'un moyeu creux fixé à l'extrémité interieure de chacun desdits bras.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent à titre d'exemple, non limitatif, un mode de réalisation de l'invention.

La figure 1 est une vue en coupe d'un rotor d'hélicoptère équipé d'un amortisseur de vibrations suivant 1 'in- vent ion.

La figure 2 est une vue en plan, partiellement en coupe de l'amortisseur de la figure 1, suivant la ligne A-A de la figure 1.

Sur les dessins, on areprésenté partiellement une tête de rotor d'hélicoptère 10 qui peut tourner autour d'un axe sensiblement vertical 11. Cette tête de rotor supporte une pluralité de pales radiales non représentées.

Un amortisseur de vibrations 12 est monté leur la tête de rotor 10 de façon à pouvoir tourner avec la tête de rotor autour de l'axe 11 afin d'amortir simultanément les vibrations de fréquence (n-l) et (n+1). Une plaque de fixation 13 est vissée concentriquement sur la tête de rotor 10 et maintenue en position par un bossage central 14 qui s'adapte dans un logement correspondant ménagé dans la face supérieure de la tête 10.

La plaque 13 comporte quatre rebords symétriques radiaux 15 qui supportent chacun un montant s'étendant verticalement vers le haut 16.

L'extrémité extérieure 17 de chacun des quatre bras élastiques 18 est serrée au moyen de boulons entre la face intérieure des montants 16 et une plaque de serrage 19.

Les bras élastiques 18 s'étendent vers l'intérieur à partir de leur extrémité 17 en une spirale espacée (figure 2) et ils se terminent par une extrémité intérieure 20 qui est serrée entre la face extérieure dtun moyeu creux rectangulaire central 21 et des plaques de serrage. Des poids circulaires supérieur et inférieur 22 et 23 sont supportés et positionnés sur les extrémités du moyeu 21 par une fusée 24 et un écrou de retenue 25. I1 est à noter que le moyeu 21 est plus haut que les bras 18 de sorte que les faces intérieures des poids 22 et 23 sont espacées des faces adjacentes des bras 18.

Chacun des montants 16 présente un rebord 26 qui s'étend vers l'intérieur entre les faces espacées des bras 18 et du poids inférieur 23 et se termine par un bord intérieur qui empiète sur la périphérie du poids inférieur 23.

Des poids annulaires de réglage 27 sont vissés sur la zone périphérique du poids supérieur 22 et un chapeau à oeil 28 sert à soulever l'amortisseur 12 et aussi à recouvrir le logement de l'écrou de retenue 25. Un couvercle flexible peut éventuellement être fixé entre les poids annu 27 laires/et la face supérieure des montants 16 pour empêcher les infiltrations de poussière et d'humidité en fonctionnement.

Les poids supérieur et inférieur 22 et 23 s'additionnent pour former une masse d'amortissement qui, du fait de la liaison des poids au moyeu 21 se situe au centre de l'amortisseur 12. Toutefois, comme les poids circulaires 22 et 23 sont disposés respectivement au-dessus et au-dessous des bras 18 et s'étendent radialement vers l'extérieur dans une zone embrassée par les bras 18, le poids et les dimensions correspondants de la masse n'ont pas de portée directe sur le diamètre extérieur de l'amortisseur, ce qui facilite la construction d'un amortisseur à masse élastique de diamètre extérieur minimal.

Les bras 18 supportent et positionnent la masse qui est constituée par les poids 22 et 23 de sorte qu'au repos, la masse est disposée symétriquement par rapport à l'axe de rotation 11. En fonctionnement, la masse tourne avec la tête de rotor 10 dans un plan de rotation perpendiculaire à l'axe 11.

L'élasticité et la disposition des bras 18 font que la masse est capable d'u-n déplacement élastique uniforme dans n'importe quelle direction à I'intérieur de son plande rotation et radialement par rapport à l'axe de rotation.

Dans le mode de réalisation représenté, les bras 18 sont en matière plastique renforcée de fibre de verre unidirectionnelle et,-comme représenté sur lafigure 1, chaque bras 18 est constitué par la superposition de deux hauteurs 18 a et 18 d s'étendant entre les montants 16 et le moyeu 21.

Lors de la construction d'un amortisseur de vibrations suivant l'invention, il faut d'abord estimer les forces qu'il est nécessaire de produire et les fréquences de vibration existantes de façon à pouvoir déterminer une masse appropriée pour la combinaison des poids 22 et 23. On peut alors calculer le nombre et la rigidité des ressorts qui supportent la bague et sont constitués par les bras 18 pour assurer une fréquence et une amplitude correcte du mouvement de la bague afin de produire les forces nécessaires.

Les variables à prendre en considération pour la construction des bras 18 sont les suivantes
1. Nombre de hras,
2. Matériau utilisé,
3. Longueur de chaque bras,
4. Rayon hors tout de l'amortisseur 12 et par consé
quent, compte tenu du (3) ci-dessus, pas d'enrou
lement de chaque bras autour du centre,
5. Epaisseur des bras, et
6. Hauteur des bras.

On choisit le nombre des bras et le matériau approprié en tenant compte des propriétés du matériau (module de
Young , densité et limites de contrainte autorisées) et des considérations de fabrication.

Dans le mode de réalisation représenté, l'amortisseur comprend quatre bras fabriqués en matière plastique renforcée de fibre de verre unidirectionnelle.

Connaissant le nombre de bras, le jeu qui doit exister entre les bras 18 pour permettre à la masse d'effectuer des déplacements de l'amplitude voulue, après avoir estimé l'épaisseur souhaitable pour chaque bras 18, on peut déterminer leur taux d'enroulement maximal autour de l'axe 11. On s'est aperçu que le fait d'augmenter le taux d'enroulement des bras tend à diminuer le poids parasite et le rayon hors tout du dispositif pour un résultat donne.

Lorsqu'on a déterminé le taux d'enroulement approprié et la longueur des bras 18, on peut calculer leur épaisseur et leur hauteur exactes pour l'obtention de la rigidité voulue et de limites de contrainte satisfaisantes.

On choisit la solution offrant les meilleures caractéristiques, c'est à dire poids parasite minimal, rayon hors tout minimal et hauteur acceptable, dans la gamme des solutions possibles obtenue par les calculs ci-dessus.

La rigidité en plan et la répartition des contraintes dues au déplacement en plan, dépendent uniquement de la hauteur totale des bras et non du nombre des hauteurs superposées. C'est ainsi qu'un bras de hauteur "d" a les mêmes propriétés en plan que deux bras superposés de hauteur "d/2".

Cela n'est pas vrai pour le déplacement de la masse hors-plan c 'est-à-dire pour la translation et la rotation de la masse par rapport à la tête de rotor 10 ( par exemple translation verticale et mouvements de tangage et de roulis) pour lesquelles la rigidité décroit avec l'augmentation du nombre de couches, pour une hauteur totale constante des bras.

Les fréquences de translation à la fois axiales et en plan sont indépendantes de la répartition de la masse dans les poids 22 et 23, mais les fréquences de torsion et de rotation hors plan, c'est-à-dire les fréquences de roulis et de tangage - dépendent de cette répartition.

Dans le mode de réalisation représenté, chacun des quatre bras 18 est constitué par deux couches ou hauteurs superposées verticalement 18 a et 18b dans le but de faciliter leur fabrication.

Au moyen des renseignements énumérés ci-dessus, on peut fabriquer un amortisseur aui offre des réponses appropriées aux diverses fréquences de vibration en-plan et hors plan.

A titre d'exemple non limitatif, on a fabriqué un amortisseur dont les bras étaient faits dans un matériau constitué par des feuilles unidirectionnelles pré-imprégnées de fibre de verre de 0,254 mm d'épaisseur environ, ayant une résistance à la flexion de 11952,18 Kg/cm2 environ et un module de
x 10 5Kg/cm2 4,14 x 105Kg/cm2 environ, chaque bras étant enroulé en spirale autour de l'axe 11 suivant un angle opérationnel d'environ 300 .

On peut utiliser pour les bras 18 d'autres matériaux ayant des propriétés appropriées comme l'acier ou le titane.

Toutefois, la fabrication des bras dans de tels matériaux peut être plus compliquée en raison des problèmes d'usinage qu'avec le matériau composite constitué par de la matière plastique renforcée de fibre de verre. L'emploi d'un tel matériau composite a en outre pour avantage le fait qu'il tend à se délamifier lentement avant rupture finale, ce qui permet de détecter les risques de rupture avant que celles-ci ne se produisent. A cet égard, il faut aussi noter que, quel que soit le matériau utilisé pour les bras, la rupture de l'un de ceux-ci n'a pour effet que de dérégler l'amortisseur, sans provoquer sa destruction immédiate, car les bras restants vont supporter les charges résultantes, à condition d'un choix approprié des niveaux de contrainte au moment de la conception de l'amortisseur.L'amortisseur de la présente invention peut donc présenter une caractéristiaue appréciable de fiabilité.

Dans le cas improbable d'une rupture complète des bras 18, la portion centrale de-la masse, dans le mode de réalisation représenté, est empêchée de se séparer des montants 16 par contact entre le poids inférieur 23 et les rebords 26.

En fonctionnement, la disposition en spirale et l'élasticité des bras 18 font que l'amortisseur 12 fonctionne comme un dispositif à masse élastique capable d'une déformation élastique égale dans n'importe quelle direction radiale à l'intérieur de son plan de rotation pour annuler simultanément les forces de vibration de fréquences différentes dans son plan de rotation. On effectue un réglage approprié de l'amortisseur 12 au moment de la conception comme indiqué plus haut par un choix judicieux de la masse des poids 22 et 23 et des dimensions et autres propriétés des bras flexibles 18 t un réglage fin s'obtient au moyen des poids auxiliaires 27 disposés symétriquement par rapport à l'axe 11.

La possibilité d'annulation simultanée des forces de vibration de fréquences différentes constitue un avantage notable pour l'élimination des forces de vibration en-plan (ou horizontales) qui agissent sur un rotor d'hélicoptère.

Comme représenté sur la figure 1, l'amortisseur 12 est fixé à une tête de rotor d'hélicoptère 10 de façon que l'axe 11 coïncide avec l'axe de rotation du rotor, et de façon que l'amortisseur 12 soit entraîné en rotation dans un plan de rotation parallèle au plan de rotation du rotor. On règle l'amortisseur 12 en condition de repos à une fréquence égale à N x tours/minute du rotor (4 R pour un rotor à quatre pales) à la vitesse normale de fonctionnement, de manière qu'en condition de rotation à la vitesse normale de fonctionnement il amortisse les vibrations de fréquence à la fois (n-l) et (n+l), c'est à dire 3 R et 5 R pour un rotor à quatre pales, produisant ainsi les composantes de direction fixe latérale et longitudinale voulues d'amplitude et de phase relatives
correctes en une seule et même installation.

Comme les masses 22 et 23 sont capables d'un dépla
cement radial par rapport à l'axe de rotation il dans n'impor
te quelle direction à l'intérieur de son plan de rotation,
c'est-à-dire quelles ne sont pas contraintes de se déplacer
selon un trajet circulaire, des vecteurs de -force inégales peuvent être efficacement annulés sans risque de création
d'une force de déséquilibrage dans la tête du rotor.

Il est bien entendu que l'amortisseur de vibrations suivant l'invention n'est pas limité à un rotor à quatre pales.

On peut l'utiliser efficacement pour annuler simultanément
les forces de vibration en plan de fréquences à la fois (n-l)
et (nul) sur des rotors d'hélicoptères comprenant n'importe quel nombre de pales.

Si nécessaire, on peut superposer en une pille deux ou plusieurs amortisseurs de vibrations 12 et on les règle de
façon à annuler, soit des vibrations de fréquence
différentes, soit des vibrations de fréquence (n-l) et (n+l) à différentes vitesses de rotation, de façon à étendre
la plage de fonctionnement dlun système général d'amortissement des vibrations. En outre, dans un mode de réalisation non
représenté, les bras élastiques peuvent également être agencés
de manière à être élastiquement flexibles dans une direction parallèle à l'axe de rotation 11, de façon à obtenir une annu
lation ou une réduction simultanées des forces à la fois en
plan et hors-plan (ou verticales) qui agissent sur un rotor
d'hélicoptère.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à
l'exemple décrit et représenté, elle est susceptible de nom
breuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les
applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre
de l'invention.

C'est ainsi que l'amortisseur peut comporter n'im
porte quel nombre de bras 18 ; toutefois, on s'est aperçu
qu'un minimum de trois bras est souhaitable pour des raisons
de symétrie. Evidemment, l'angle opérationnel d'enroulement
de chaque bras autour de l'axe peut variér en fonction d'ins
tallations particulières, bien que dans n'importe quelle
installation cet angle soit constant. On peut utiliser d'au tres techniques de fabrication pour la construction de l'amortisseur : par exemple le moyeu 21., les bras 18 et les montants 16 peuvent être formés d'un seul tenant. De façon analogue, on peut utiliser d'autres moyens appropriés pour positionner et fixer l'amortisseur sur la tête de rotor d'hélicoptère, ou encore l'amortisseur peut être incorporé a une tête de rotor construite à cet effet. Les bras 18 peuvent être faits dans un autre matériau composite tel qu'un matériau renforcé de fibres de carbone ou de bore, et le matériau fibreux qui sert de renfort peut être tissé, par opposition au type unidirectionnel décrit ci-dessus. Les bras 18 ne sont pas nécessairement d'épaisseur uniforme sur toute leur longueur, mais peuvent par exemple présenter localement une épaisseur plus forte dans les zones de forte contrainte.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Hélicoptère comprenant un rotor principal de sustentation dont la tête comporte une pluralité de pales radiales pouvant tourner autour d'un axe sensiblement vertical, caractérisé en ce qu'il comprend un amortisseur de vibrations comprenant des organes de support disposés concentriquement à l'axe de rotation de manière à tourner avec le rotor et une masse disposée centralement par rapport aux organes de support et positionnée au moyen d'une pluralité de bras élastiques formant une spirale espacée entre les organes de support et la masse, de façon à permettre, en rotation, un déplacement élastique de la masse dans n'importe quelle direction à l'intérieur de son plan de rotation, radialement par rapport audit axe de rotation.

2. Hélicoptère suivant la revendication 1, carac térisé en ce que la masse précitée comprend un poids circulaire disposé au-dessous des bras, symétriquement à l'axe de rotation, ledit poids s'étendant radialement par rapport audit axe de rotation et étant confiné dans une zone embrassée par lesdits bras.

3. Hélicoptère suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la masse précitée comprend un poids circulaire disposé au-dessus des bras, symétriquement à l'axe de rotation, ledit poids s'étendant radialement par rapport audit axe de rotation et étant confiné dans une zone embrassée par lesdits bras.

4. Hélicoptère suivant l'une des revendications 1 à 3 , caractérisé en ce que les organes de support comprennent une pluralité de montants verticaux en nombre égal au nombre des bras et fixés à une surface supérieure de la tête de rotor, symétriquement à l'axe de rotation, chacun desdits montants supportant l'extrémité extérieure de l'un desdits bras.

5. Hélicoptère suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les poids sont supportés aux extrémités d'un moyeu creux relié à l'extrémité intérieure de chacun des bras.

6. Hélicoptère suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les poids sont disposés sur une fusée qui s'étend dans~le moyeu creux, et retenus par un écrou fileté.