FR2963605A1 - Helice pour aeronef - Google Patents

Abstract

Hélice (100) pour aéronef. L'hélice (100) comprend un moyeu (102) d'hélice, une casserole (104) pour profiler l'hélice (100), et une pluralité de pales (106) d'hélice en matériau composite montées sur ledit moyeu (102) d'hélice. Les pales (106) d'hélice sont conçues pour tourner conjointement dans le même sens de rotation dans au moins deux plans parallèles (108, 110) sensiblement perpendiculaires à un axe de rotation (112) de l'hélice (100). L'hélice (100) a une casserole (104) d'un diamètre réduit avec un profil aérodynamique amélioré, qui peut être mieux adaptée à une nacelle (116) de moteur et possède également une traînée réduite.

Description

B11-3275FR 1 Hélice pour aéronef

La présente invention concerne de façon générale les hélices pour aéronefs. Plus particulièrement, la présente invention porte sur une hélice ayant une pluralité de pales d'hélice en matériau composite. En aviation, on utilise dans la technique antérieure des hélices ayant une ou plusieurs pales d'hélice pour produire un flux d'air avec lequel peut réagir une cellule, par exemple afin de créer une poussée vers l'avant destinée à propulser un aéronef. Dans la technique antérieure, de telles hélices peuvent également être à pas variable de façon que l'angle d'attaque des pales de l'hélice par rapport à un flux d'air puisse être réglé afin d'optimiser les performances de l'hélice durant un fonctionnement à n'importe quelle vitesse particulière. Récemment, des perfectionnements dans la conception des pales d'hélice ont conduit à une plus grande utilisation de matériaux composites pour former les pales, ces matériaux composites présentant des avantages de poids en comparaison des pales métalliques classiques des hélices. Cependant, bien que des pales d'hélice en matériau composite offrent de nombreux avantages, les matériaux utilisés pour les former doivent être façonnés de façon à réaliser des transitions de formes globalement régulières et progressives depuis une section de la surface portante jusqu'à une emplanture de support de pale, car les fibres utilisées ne peuvent pas être amenées à changer brutalement d'orientation sans perdre une grande partie de leur résistance mécanique. Cela constitue une différence avec les pales métalliques et signifie que, globalement, la partie des pales en matériau composite n'appartenant pas à une surface portante est plus longue que dans les pales métalliques à performances aérodynamiques comparables.

De plus, les pales en matériau composite destinées à une utilisation dans des hélices à pas variable nécessitent une partie formant emplanture à section globalement circulaire, destinée à coopérer avec des roulements de changement de pas. Ainsi, pour des dimensions données d'une surface portante, une hélice à pas variable munie de pales en matériau composite aura généralement un diamètre encore plus grand que celui d'une hélice équivalente à pales métalliques en raison de la longueur de la transition entre la surface portante et l'emplanture à section globalement circulaire. De ce fait, la version en matériau composite de l'hélice nécessite une casserole de dimension relativement plus grande avec, corrélativement, une plus grande traînée, ce qui donne également lieu à des difficultés de conception pour adapter la casserole sur la nacelle de l'aéronef lorsqu'on cherche à atteindre des performances aérodynamiques globales optimales de l'aéronef. La présente invention a donc pour objet la réduction de ces inconvénients, associés aux hélices pour aéronefs en matériau composite selon la technique antérieure. Selon un aspect de la présente invention, il est proposé une hélice pour aéronef. L'hélice comprend un moyeu d'hélice, une casserole pour profiler l'hélice et une pluralité de pales d'hélice en matériau composite montées sur ledit moyeu d'hélice. Les pales d'hélice sont conçues pour tourner conjointement dans le même sens de rotation dans au moins deux plans parallèles sensiblement perpendiculaires à un axe de rotation de l'hélice. Grâce à la présence d'une telle pluralité de pales d'hélice en matériau composite montées dans au moins deux plans parallèles, il est possible de proposer divers aspects et formes de réalisation de la présente invention ayant une casserole de diamètre réduit, à profil aérodynamique amélioré, pouvant être adaptée sur une nacelle de moteur et ayant un profil de traînée réduit pour des hélices à pas variable aussi bien que non variable.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique illustrant une hélice selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 représente une coupe transversale d'un système d'hélice selon la technique antérieure ; - la figure 3 représente une coupe transversale d'un système d'hélice selon une forme de réalisation de la présente invention ; et - la figure 4 représente une coupe longitudinale du système d'hélice représenté sur la figure 3. La figure 1 représente une vue schématique illustrant une hélice 100 pour aéronef selon une forme de réalisation de la présente invention. L'hélice 100 comprend un moyeu 102 d'hélice entraîné en rotation par un moteur (non représenté) d'aéronef logé dans une nacelle 116. Une casserole 104 enveloppe le moyeu 102 d'hélice pour profiler l'hélice 100. Dans la présente forme de réalisation, la casserole 104 est fixée au moyeu 102 d'hélice de façon qu'ils tournent ensemble lorsque le moyeu 102 d'hélice est entraîné par le moteur de l'aéronef. La casserole 104, qui a une forme globalement conique avec un plus grand diamètre désigné par 0, crée une interface profilée entre l'hélice rotative 100 et la nacelle 116 en position fixe.

Une pluralité de pales 106 d'hélice en matériau composite sont montées sur le moyeu 102 d'hélice et font saillie à travers la casserole 104, de façon que la casserole 104 assure un profilage aérodynamique pour l'air circulant près des emplantures 120 des pales 106. Par exemple, les pales 106 peuvent être constituées par un matériau en fibres tissées, par exemple des fibres de carbone et/ou des fibres de verre. Certaines formes de réalisation préférées utilisent des matériaux composites en résine époxy renforcée par des fibres de carbone, en raison de leurs propriétés de résistance mécanique.

Dans la présente forme de réalisation, les emplantures 120 des pales 106 (dont, pour plus de clarté, seulement deux sont représentées) sont montées sur le moyeu d'hélice à l'aide de roulements 114 de changement de pas. Par exemple, l'hélice existante conçue pour le bombardier Dash® 8Q400 est un modèle à six pales dans lequel la présente technologie peut être employée pour donner un diamètre de moyeu réduit et une transition radiale plus rapide vers une section de surface portante. Cependant, on peut utiliser divers roulements 114 comme, par exemple, ceux fabriqués par RPP (Revolvo®). Selon une autre possibilité, on peut utiliser divers roulements du type à contact oblique pour une bague de butée intérieure, des roulements radiaux à rouleaux convenant dans une bague extérieure. Les roulements 114 de changement de pas, avec leurs pales d'hélice correspondantes 106, sont disposés dans deux plans adjacents, à savoir un premier plan 108 et un second plan 110 séparés par une distance de séparation axiale désignée par d. Le premier plan 108 est le plus éloigné de la nacelle 116 et le second plan 110 se trouve longitudinalement plus près de la nacelle 116.

Les roulements 114 de changement de pas ont une forme globalement cylindrique et un diamètre désigné par x sur la figure 1. Ainsi, les pales 106 d'hélice sont agencées de manière à tourner ensemble dans le même sens de rotation dans les premier et second plans 108, 110, les plans 108, 110 étant sensiblement perpendiculaires à un axe de rotation 112 de l'hélice 100. Dans diverses formes de réalisation préférées, le nombre de plans 108, 110 est de deux. C'est préférable car cela donne une construction simplifiée de l'hélice, qui est relativement simple à entretenir et contrôler. Cependant, les formes de réalisation de la présente invention ne se limitent pas à l'utilisation de deux plans de ce type, et il est possible d'en utiliser plus de deux. Cinq roulements 114 de changement de pas sont représentés sur la figure 1, uniquement pour plus de clarté, afin d'illustrer schématiquement la manière dont diverses formes de réalisation de la présente invention peuvent permettre une plus grande densité de pales montées dans la direction axiale. Comme des pales voisines 106 dans des plans adjacents 108, 110 peuvent être décalées les unes par rapport aux autres dans la direction circonférentielle, les emplantures 120 des pales 106 peuvent être montées axialement tout près les unes des autres, par exemple de façon que d < x. Une telle densité accrue de montage des pales permet l'utilisation d'un moyeu 102 d'hélice d'un diamètre réduit, et par conséquent une casserole 104 d'un diamètre corrélativement réduit peut également être utilisée pour le profilage de ce moyeu 102 d'hélice.

Les pales 106 peuvent être installées en nombre égal dans chaque plan respectif 108, 110. Cela simplifie la conception de l'hélice et assure un équilibrage optimal de façon à limiter très fortement une usure irrégulière et des vibrations.

Le nombre N de pales dans n'importe quel plan particulier 108, 110 peut être choisi, de façon qu'un rapport R, du diamètre 4 de la casserole au diamètre x de l'emplanture 120 de pale ou du roulement de changement de pas soit tel que 1 < R < 2, où R=±. De x

préférence, 1 < R < /et N = 2, 3 ou 4. La création d'une poussée optimale peut être ainsi assurée par l'hélice 100 à casserole 104 de petit diamètre.

La figure 2 représente une coupe transversale d'un système d'hélice 200 selon la technique antérieure. L'hélice 200 comprend six pales 206 d'hélice disposées dans un même plan, suivant une configuration hexagonale. Seules trois des pales 206 sont représentées, pour plus de clarté.

Les pales 206 d'hélice sont montées sur un moyeu 202 d'hélice à l'aide de roulements 214 de changement de pas. Autour du moyeu 202 d'hélice est disposée une casserole 204 radialement à l'extérieur de laquelle les pales 206 présentent un profil aérodynamique pouvant être optimisé en fonction des performances de l'hélice. Les pales 206 ont des extrémités à section circulaire montées dans les roulements 214 de changement de pas, qui assurent une transition des profils aérodynamiques dans des zones de transition respectives 207 des pales. Chaque pale 206 est pourvue d'un bras correspondant 218 à contrepoids. Les bras 218 à contrepoids sont montés sur une pale respective 206 et sont disposés dans le plan de rotation de l'hélice 200 entre la pale correspondante 206 et une pale voisine la plus proche 206. Des contrepoids respectifs 219 sont montés sur les bras 218 à contrepoids, à distance des pales 206 auxquelles ils sont fixés. Ces contrepoids 219 peuvent, par exemple, être en tungstène fritté. En fonctionnement, les contrepoids 219 et les bras 218 à contrepoids exercent un couple d'équilibrage sur les pales 206 afin de limiter le plus possible les efforts de commande et également de créer un mécanisme pour le passage automatique sur grand pas des pales de manière à limiter le plus possible la traînée aérodynamique en cas de défaillance du système de commande principal. L'ampleur du couple d'équilibrage créé dépend de la répartition du poids ainsi que de la longueur des contrepoids 219 et des bras 218 à contrepoids combinés.

Sur la figure 2 est également représenté un cercle 222 qui couvre les six manchons d'emplantures de pales jointifs des paliers respectifs 214 de changements de pas disposés dans la configuration hexagonale. Le moyeu 202 d'hélice doit avoir des dimensions suffisamment grandes pour loger cette configuration. Aussi la configuration géométrique des manchons d'emplantures de pales définit-elle effectivement les dimensions minimales du moyeu 202 d'hélice et donc également de la casserole 204. Dans cette configuration, avec six pales 206, le diamètre du cercle 222 est double de celui des différents manchons d'emplantures de pales, et de ce fait les diamètres du moyeu 202 d'hélice et de la casserole 204 ne peuvent pas être inférieurs à cette valeur. La figure 3 représente une coupe transversale prise dans un premier plan 308 d'une hélice 300 selon une forme de réalisation de la présente invention. L'hélice 300 comprend six pales 306, 306' d'hélice. Trois des pales 306 d'hélice sont disposées, dans un même plan, suivant une configuration en triangle équilatéral dans le premier plan 308, et les trois autres pales 306' sont disposées, dans un même plan, suivant une configuration en triangle équilatéral dans un second plan 310 (par exemple, se reporter également à la figure 4) qui est décalé axialement par rapport au premier plan 308. Les pales 306 dans le premier plan 308 représentées sur la figure 3 sont séparées angulairement par un angle 0 de séparation de pale, lequel, dans la présente forme de réalisation, est le même, à savoir 120°, pour toutes les pales 306. Les pales 306 dans le premier plan 308 sont décalées angulairement par rapport aux pales 306' dans le second plan 310 par un décalage circonférentiel y, lequel, dans la présente forme de réalisation, est de 60° pour toutes les pales 306'.

Cependant, dans d'autres formes de réalisation possibles, 0 peut varier entre les pales disposées dans n'importe quel plan particulier, si bien qu'une réduction du bruit peut être obtenue en supprimant divers phénomènes de battements d'harmoniques. Par exemple, trois pales peuvent être disposées en étant respectivement séparées de 0 = 119°, 120° et 121°. Diverses modifications peuvent également apporter au décalage circonférentiel, à des fins similaires, de façon que 0 et/ou 'y puissent être utilisés pour adapter le profil acoustique, les performances aérodynamiques, les caractéristiques vibratoires et autres de l'hélice.

Les pales 306, 306' d'hélice sont montées sur un moyeu 302 d'hélice à l'aide de roulements 314 de changement de pas. Autour du moyeu 302 d'hélice est disposée une casserole 304 radialement à l'extérieur de laquelle sont disposées les pales 306, 306' avec un profil aérodynamique optimisable pour les performances de l'hélice.

La casserole 304 est montée axialement sur le moyeu 302 d'hélice et est conçue pour créer un profil aérodynamique pour l'hélice 300 en écartant le flux d'air des sections d'emplantures des pales 306, 306' d'hélice montées dans le moyeu 302 d'hélice.

Les pales 306, 306' ont des extrémités 320 à section transversale circulaire, présentes dans des manchons d'emplantures de pales faisant partie des roulements 314 de changement de pas. Les manchons d'emplantures de pales peuvent être davantage rapprochés de l'axe 312 de l'hélice que dans le cas d'un agencement comparable d'hélice à un seul plan (comme celui représenté, par exemple, sur la figure 2). Cela signifie que la zone de transition des pales 306, 306' depuis l'emplanture jusqu'à la section de surface portante peut également être rapprochée du centre du moyeu 302 d'hélice, permettant une configuration encore plus compacte de l'hélice 300 dans la direction radiale. Chaque pale 306 dans le premier plan 308 est munie d'un bras correspondant 318 à contrepoids. Les bras 318 à contrepoids sont montés sur une pale respective 308 et sont disposés dans le premier plan de rotation 308 de l'hélice 300 entre les pales correspondantes 306 et leurs pales voisines les plus proches 306. Des contrepoids respectifs (non représentés) peuvent également être présents, reliés aux bras 318 à contrepoids les plus éloignés des pales 306 auxquelles ils sont fixés.

De plus, comme les bras 318 à contrepoids peuvent être dotés d'une plus grande longueur que dans des hélices comparables à un seul plan, comme illustré par exemple sur la figure 2, il est possible de ne plus avoir besoin de disposer des contrepoids entre les pales 306' dans le second plan 310, car les bras plus longs créent un plus grand couple d'équilibrage pour un poids donné. Ainsi, non seulement l'hélice 300 est simplifiée en comparaison d'hélices selon la technique antérieure, mais encore son poids total est réduit. De plus, une telle construction simplifiée offre des avantages de meilleure fiabilité en fonctionnement et de diminution du temps/des coûts d'entretien, car les pièces des hélices deviennent facilement accessibles et sont plus faciles à examiner. Sur la figure 3 est représenté un cercle 322 qui couvre les trois manchons jointifs d'emplantures de pales de roulements respectifs 314 de changement de pas disposés dans le premier plan 308. Le moyeu 302 d'hélice doit avoir des dimensions suffisamment grandes pour loger cette configuration, ainsi, la configuration géométrique des manchons d'emplantures de pales limite effectivement les dimensions minimales du moyeu 302 d'hélice et donc également de la casserole 304. Dans cette configuration en triangle équilatéral, avec trois pales 306, le diamètre du cercle 322 est à peu près égal à 1,16 fois celui des manchons individuels d'emplantures de pales, aussi cette configuration est-elle radialement plus compacte en comparaison d'hélices selon la technique antérieure telles que celle de la figure 2. Les diamètres des pales 306, 306', du moyeu 302 d'hélice et de la casserole 304 peuvent donc être réduits en comparaison d'hélices selon la technique antérieure, ce qui permet une meilleure adaptation aérodynamique à une nacelle de moteur, ainsi qu'une plus faible traînée lors de l'utilisation. La figure 4 représente une coupe longitudinale prise dans l'hélice 300 de la figure 4, suivant la ligne A-A. Les pales 306 sont disposées dans le premier plan 308. Les pales 306' sont disposées dans le second plan 310. En fonctionnement, l'hélice 300 tourne autour de l'axe de rotation 312, si bien que les pales 306, 306' d'hélices tournent conjointement dans le même sens de rotation. Grâce à une telle hélice 300, des sections aérodynamiques plus minces des pales 306, 306' peuvent être réalisées aux endroits où les pales 306, 306' pénètrent dans le courant d'air. Cela assure une nouvelle amélioration du rendement aérodynamique, ainsi qu'une diminution du bruit de l'hélice. Dans diverses formes de réalisation, le demandeur a également constaté qu'un tel agencement d'hélice permet d'obtenir une diminution de 30% du diamètre de la nacelle.

Dans diverses autres formes de réalisation possibles, les pales 306, 306' peuvent être imbriquées axialement de façon que la séparation entre les plans 308, 310 soit inférieure au diamètre de chaque manchon d'emplanture de pale.

Pour diverses formes de réalisation, le nombre de pales et/ou de plans présents n'est pas limitatif. Par exemple, les emplantures de pales peuvent être disposées très près les unes des autres, deux pales étant disposées dans au moins un plan. Cependant, pour des raisons pratiques, le nombre total de pales peut être limité, par exemple, à quatre, six, huit, dix ou douze. Dans certaines formes de réalisation, de préférence six ou huit pales sont présentes, par exemple dans deux plans, afin d'obtenir un rendement aérodynamique optimal de l'hélice. Diverses formes de réalisation peuvent également avantageusement comporter des profils acoustiques de fonctionnement adaptés et/ou réduits. Les spécialistes de la technique comprendront que diverses formes de réalisation d'hélices selon la présente invention peuvent être proposées. Par exemple, alors que les formes de réalisation préférées décrites ici utilisent des pales d'hélice à pas variable, les spécialistes de la technique sauront qu'on peut également utiliser des pales d'hélice à pas fixe. De telles pales d'hélice à pas fixe peuvent, par exemple, être montées sur un moyeu d'hélice à l'aide de mécanismes connus de retenue de pales d'hélice.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Hélice (100, 300) pour aéronef, comprenant : un moyeu (102, 302) d'hélice ; une casserole (104, 304) pour profiler l'hélice (100, 300) ; et une pluralité de pales (106, 306) d'hélice en matériau composite, montées sur ledit moyeu (102, 302) d'hélice, lesdites pales (106, 306) d'hélice étant agencées pour tourner conjointement dans le même sens de rotation dans au moins deux plans parallèles (108, 110, 308, 310) sensiblement perpendiculaires à un axe de rotation (112, 312) de l'hélice (100, 300).
2. 2. Hélice (100, 300) selon la revendication 1, dans laquelle des pales voisines (106, 306) dans des plans adjacents (108, 110, 308, 310) sont décalées (y) dans la direction circonférentielle les unes par rapport aux autres.
3. 3. Hélice (100, 300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les emplantures des pales (106, 306) sont groupées d'une manière très dense dans la direction axiale.
4. 4. Hélice (100, 300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'angle de séparation (0) des pales (106, 306) dans au moins un plan (108, 110, 308, 310) est différent de l'angle de séparation (0) des pales (106, 306) dans un autre plan (108, 110, 308, 310).
5. 5. Hélice (100, 300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un nombre égal de pales (106, 306) sont disposées dans chaque plan respectif (108, 110, 308, 310).
6. 6. Hélice (100, 300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les pales respectives (106, 306) dans n'importe quel plan (108, 110, 308, 310) sont séparées par le même angle de séparation (0).
7. 7. Hélice (100, 300) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les pales (106) sont despales à pas variable et les emplantures (120, 130) des pales respectives (106, 306) sont retenues dans des paliers respectifs (114, 314) à changement de pas, logés dans le moyeu (102, 302) d'hélice.
8. 8. Hélice (100, 300) selon la revendication 7, dans laquelle un nombre (N) de pales dans un plan particulier (108, 110, 308, 310) est choisi en fonction qu'un rapport (R) du diamètre (0) de la casserole au diamètre (x) des roulements de changement de pas soient 1 < R < 2, sachant que R=±. x
9. 9. Hélice (300) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle au moins un bras (318) à contrepoids est disposé entre les pales (306) dans au moins un des plans (308, 310).
10. 10. Hélice (300) selon la revendication 9, dans laquelle le/les bras (318) à contrepoids est/sont disposés uniquement dans un seul plan (308).