FR2783496A1 - Rotors, soufflantes ou helices supersoniques a bon rendement et a faible bruit - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne le fonctionnement supersonique des hélices d'avions rapides, des soufflantes de turboréacteurs et des rotors pour hélicoptères rapides ou pour convertibles. Elle consiste à éjecter en tête de pale (1) un gaz ultra-léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, pour éviter que les chocs se forment ou pour les atténuer. Le gaz ultraléger est distribué par la chambre de moyeu (7) aux canaux (4) de pales alimentant les éjecteurs (3).

Description

-1 - La présente invention se rapporte aux rotors ou hélices utilisés en
régime transsonique, c'est-à-dire à des régimes pour lesquels l'écoulement par rapport à une pale est localement (ou temporairement) supersonique. Ces utilisations concernent les hélices d'avions rapides, les soufflantes de turboréacteurs et les rotors pour
hélicoptères rapides ou pour convertibles.
En général, lorsque l'écoulement devient localement supersonique par rapport à une extrémité de pale, le rendement diminue et un bruit important, dit quadrupolaire, apparaît. Pour les avions, par exemple, les hélices sont les propulseurs ayant le meilleur rendement à vitesse modérée. Cet avantage disparaît, au profit des turboréacteurs, à grande vitesse. En pratique, la vitesse 1 5 des avions à hélices est limitée à un nombre de Mach d'environ 0,6. Des hélices transsoniques, à pales en dévers, nombreuses et à grande corde, ont été proposées pour des avions à Mach 0,8 mais il n'y a pas eu d'utilisation commerciale. Pour les turboréacteurs, la soufflante n'est supersonique qu'à la puissance maximale utilisée au décollage; le problème principal correspondant est l'émission d'un fort supplément de bruit. Pour les hélicoptères, une même pale de rotor est avançante sur un demi-tour et reculante sur l'autre demi-tour. En extrémité de pale avançante, le nombre de Mach atteint la somme du Mach de rotation Mr et du Mach d'avancement Ma; en pale reculante, c'est la différence Mr - Ma. Une portance suffisante et sans risque de décrochage sur la
pale reculante implique (Mr - Ma) supérieur à 0,2 environ.
Sur la pale avançante, la limite transsonique impose (Mr + Ma) inférieur à i environ. Il en résulte en pratique une limitation de la vitesse des hélicoptères à un nombre de Mach d'avancement inférieur à 0,4 qui limite leurs possibilités d'utilisations militaires et civiles et donc leur
3 5 commercialisation.
En résumé, toute innovation, permettant de reculer le domaine o les phénomènes transsoniques causent une baisse de rendement et un excès de bruit, ouvrirait de -2- nouveaux marchés pour les avions, les hélicoptères et les convertibles. Jusqu'à présent, l'atténuation des phénomènes transsoniques nocifs n' a été obtenue qu'en modifiant les formes des pales (hélices) et surtout de leur extrémité (rotors). Les résultats obtenus ne font que légèrement
décaler les effets nuisibles.
Par ailleurs, pour des raisons diverses, il a déjà été proposé d'éjecter ou d'aspirer de l'air a travers la surface de pales de soufflantes. Aussi, en vue de diminuer un autre type de bruit impulsif important des rotors d'hélicoptères, dû à l'interaction pale-tourbillon en vol d'approche, différents modes d'éjection d'air au voisinage
de l'extrémité des pales ont été proposés antérieurement.
Ils sont sans effet avantageux sur les phénomènes transsoniques. Toutefois, un nouveau dispositif de jet d'air, dit à "imasse zéro", est en cours d'étude (voir Aerospace America, décembre 1998, p. 13) en vue d'atténuer les
chocs sur les pales de rotors.
La présente invention reprend une idée, déjà utilisée dans le brevet déposé sous le n 98/11 792 (Fournier), qui consiste à éjecter, en amont de la région de formation des chocs, un gaz ultra-léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, pour éviter qu'ils se forment ou pour les atténuer. Alors que l'invention antérieure concerne des corps en translation dans l'air, tels que des nez de fuselage ou des plans porteurs (dont voilures), la présente
concerne des profils en rotation.
Un mode de réalisation est maintenant décrit en détail avec référence aux figures. Les valeurs numériques mentionnées résultent de l'état de l'art antérieur et des
activités de recherche de l'inventeur.
La figure i représente une pale d'hélice, de soufflante
ou de rotor vue suivant son axe de rotation.
La figure 2 représente une pale d'hélice, de soufflante ou de rotor vue dans une direction perpendiculaire à l'axe
de rotation, avec coupe du moyeu.
Chaque pale (1) de l'hélice, de la soufflante ou du rotor est attachée à son moyeu (2). Un dispositif éventuel - 3 - de rotation de la pale à son emplanture permet d'ajuster le pas, que celui-ci soit indépendant de l'angle de rotation (hélice) ou cyclique ou multicyclique (hélicoptère ou convertible). Les figures 1 et 2 montrent aussi que du gaz ultra- léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, est éjecté au voisinage de l'extrémité de pale (1) et vers l'amont de son bord d'attaque par les orifices (3), que ceux-ci soient des orifices séparés, de section circulaire ou non, ou bien que la surface d'éjection soit continue sous forme de fentes ou de bandes perforées. Avant d'atteindre les éjecteurs (3), le gaz ultra-léger a traversé la pale (1) dans toute sa longueur par le canal (4). Un joint tournant (5) raccorde le canal de pale (4) au canal de distribution (6) creusé dans le moyeu (2). Ce dernier canal (6) est issu de la chambre de moyeu (7), elle même alimentée par le canal d'arbre (8). Ce canal (8) se raccorde aux parties fixes par le joint tournant (9). Les parties fixes (10) ne sont pas toutes représentées en détail; elles incluent, par exemple, soit un réservoir à haute pression suivi d'un détendeur (préféré pour l'hélium), soit un générateur chimique (tout au moins pour l'hydrogène). Avec, par exemple, une
surface d'éjection totale de l'ordre de 10 centimètres-
carrés et une vitesse d'éjection de l'ordre de 100 m/s, le débit de gaz est de l'ordre du dizième de mètre-cube par seconde. Un vol d'une heure en régime supersonique
nécessite donc quelques bouteilles de gaz comprimé.
Pour réduire cette consommation de gaz ultra-léger, il est proposé, en option, d'interrompre l'éjection à travers les orifices (3) pendant la fraction de révolution o la pale de rotor (pour un hélicoptère ou un convertible) ne crée pas de poches d'écoulements supersoniques. Les vannes de fermeture placées en amont de l'alimentation des orifices (3) sont considérées comme conformes à l'art
existant et ne font ici l'objet ni d'une description détaillée
3 5 ni d'une revendication.
L'invention s'applique aux avions à hélices rapides ou à turboréacteurs, aux hélicoptères rapides et aux convertibles. Elle permet d'utiliser ces appareils à une vitesse plus rapide tout en conservant un bon rendement 4 -
et sans créer de bruit important.
- 5 -

Claims (6)

REVENDICATIONS
1) Hélice, pour avion rapide, caractérisée par des pales (1) traversées par un canal (4) permettant d'éjecter du gaz ultra-léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, à travers des orifices (3), continus ou discontinus, placés près de l'extrémité des pales et dirigés vers l'amont de
leur bord d'attaque.
2) Soufflante pour turboréacteur, caractérisée par des pales (1) traversées par un canal (4) permettant d'éjecter du gaz ultra-léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, à travers des orifices (3), continus ou discontinus, placés près de l'extrémité des pales et dirigés
vers l'amont de leur bord d'attaque.
3) Rotor, pour hélicoptère rapide ou convertible, caractérisé par des pales (1) traversées par un canal (4) permettant d'éjecter du gaz ultraléger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, à travers des orifices (3), continus ou discontinus, placés près de l'extrémité des
pales et dirigés vers l'amont de leur bord d'attaque.
4) Hélice, soufflante ou rotor suivant les
2 0 revendications i ou 2 ou 3, caractérisé en ce que le canal
de pale (4) est raccordé au canal de distribution (6) du
moyeu (2) par un joint tournant (5).
) Hélice, soufflante ou rotor suivant les
revendications i ou 2 ou 3, caractérisé en ce que la
chambre de moyeu (7) distribuant le gaz ultra-léger aux canaux de distribution (6) est elle-même alimentée par le canal (8) creusé dans l'arbre portant l'hélice, la soufflante
ou le rotor.
6) Hélice, soufflante ou rotor suivant les
revendications 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que le canal
d'arbre (8) est relié à l'amenée de gaz fixe (10) par un
joint tournant (9).
7) Procédé d'amélioration du rendement des hélices, des soufflantes et des rotors supersoniques, caractérisé en ce que les pales (1) sont traversées par un canal (4) permettant d'éjecter du gaz ultra-léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, à travers des orifices (3), -6- continus ou discontinus, places près de l'extrémité des pales et dirigés vers l'amont de leur bord d'attaque, de façon à supprimer ou atténuer les chocs d'extrémités de pales. 8) Procédé de réduction du bruit des hélices, des soufflantes et des rotors supersoniques, caractérisé en ce que les pales (1) sont traversées par un canal (4) permettant d'éjecter du gaz ultra-léger, tel que de l'hélium ou de l'hydrogène, à travers des orifices (3), continus ou discontinus, placés près de l'extrémité des pales et dirigés vers l'amont de leur bord d'attaque, de façon à supprimer ou atténuer les chocs d'extrémités de pales.
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