FR3005685A1 - Pivot de pale d'helice - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le domaine des hélices aériennes, et en particulier celui des hélices à pas variable, notamment pour soufflantes non-carénées . Plus spécifiquement, l'invention se rapporte à un pivot (15) de pale (14) d'hélice (3a,3b), comportant au moins une partie proximale (15a) apte à être retenue dans un orifice radial d'un moyeu d'hélice tout en pouvant tourner dans cet orifice autour d'un axe longitudinal (Z) du pivot (15), et une partie distale (15b) comprenant un réceptacle (20) apte à retenir un pied de pale, et au moins un bras (17) s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal (Z) et soutenant une masselotte (16). Chacune desdites parties proximale et distale (15a,15b) est principalement en matériau composite à matrice organique. L'invention se rapporte aussi à un procédé de fabrication d'un tel pivot (15).

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des hélices aériennes, et plus particulièrement un pivot de pale d'hélice.

On entend « hélice aérienne », dans le présent contexte, dans un sens large couvrant tout dispositif comprenant au moins une pale profilée apte à tourner autour d'un axe propulsif pour accélérer une masse d'air en direction de cet axe propulsif afin de générer, par réaction, une poussée en sens opposé. Ceci comprend donc, entre autres, les hélices d'aviation conventionnelles, ainsi que les soufflantes de turboréacteur, y compris les soufflantes non carénées (en anglais « open rotor »). Typiquement, de telles soufflantes non carénées comprennent deux hélices contrarotatives à pas variable. Typiquement, une hélice à pas variable comprend, à la base de chaque pale, un pivot permettant la rotation de la pale autour de son axe longitudinal. Ce pivot peut être intégré au pied de pale ou être détachable de la pale, ce qui facilite le remplacement des pales et permet de réduire les coûts de réparation et d'entretien. Idéalement, les hélices à pas variable comprennent des dispositifs assurant automatiquement leur mise et maintien en drapeau en cas d'arrêt moteur. En particulier, quand les pales sont mises en drapeau, le vent relatif peut néanmoins exercer, sur chaque pale, un couple aérodynamique autour de son axe longitudinal. Afin de contrer ce couple aérodynamique et maintenir l'orientation des pales en drapeau, l'un des dispositifs les plus simples connus de la personne du métier comprend une masselotte au bout d'un bras de levier s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal, perpendiculairement à l'extrados et/ou à l'intrados de la pale. La force centrifuge exercée sur chaque masselotte par la rotation de l'hélice assure le maintien de l'orientation de la pale en drapeau. Pour limiter leur encombrement, ces masselottes et bras de levier son typiquement intégrés dans le pivot de chaque pale. Le brevet français FR 2957329 divulguait un turboréacteur à soufflante non-carénée avec deux hélices contrarotatives, dans lesquelles le pivot de chaque pale comprend un dispositif de ce type pour la mise et maintien en drapeau des pales.

Les hélices aériennes, et plus particulièrement les hélices de soufflantes non-carénées, qui sont normalement entraînées par des turbines libres du turboréacteur, peuvent tourner à des vitesses très élevées, ce qui génère d'importants efforts de traction au niveau du pivot.

Les pivots, typiquement métalliques, dimensionnés en fonction de ces charges ont en conséquence une masse considérable. Objet et résumé de l'invention La présente divulgation vise à permettre une réduction de la masse des pivots de pale d'hélice, et en particulier d'un pivot de pale d'hélice comportant au moins une partie proximale apte à être retenue dans un orifice radial d'un moyeu d'hélice tout en permettant sa rotation dans cet orifice autour d'un axe longitudinal du pivot, et une partie distale comprenant un réceptacle apte à retenir un pied de pale, ainsi qu'au moins un bras s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal et soutenant une masselotte. Dans au moins un mode de réalisation, le but d'obtenir un pivot à masse comparativement réduite est obtenu grâce au fait que chacune desdites parties proximale et distale est principalement en matériau composite à matrice organique. Par « principalement en matériau composite à matrice organique » on comprend que la plus grande partie du volume est en matériau composite à matrice organique. Comme les efforts auxquels les différentes parties du pivot sont soumises sont principalement unidirectionnels, l'anisotropie typique des matériaux composites à matrice organique permet d'obtenir un pivot avec des propriétés mécaniques comparables ou meilleures avec une importante réduction de la masse. Afin d'assurer la reprise des efforts dans la connexion au pied de pale et d'éviter les pointes d'efforts dans le matériau composite, pointes qui peuvent donner notamment lieu à des phénomènes de délamination, ledit réceptacle apte à recevoir le pied de pale est métallique. Suivant une première alternative, des fibres de la partie proximale peuvent se prolongent à l'intérieur dudit au moins un bras de la partie distale. Ces fibres permettent ainsi d'assurer la liaison entre la partie proximale et la partie distale et réaliser un lien continu entre les efforts en traction auxquels est soumise la partie proximale, et ceux principalement en flexion auxquels est soumise ledit bras. Alternativement, toutefois, afin de transmettre les efforts entre les parties proximale et distale du pivot, celles-ci peuvent être simplement 5 jointes, par exemple, par collage ou par une connexion boulonnée. Le réceptacle peut être formé dans un insert métallique intégré dans le matériau composite à matrice organique de la partie distale du pivot. En particulier, cet insert métallique peut être intégré dans une préforme de la partie distale du pivot avant la cuisson d'une résine thermodurcissable 10 imprégnant cette préforme pour former la matrice du composite à matrice organique. En outre, le réceptacle destiné à recevoir le pied de pale peut être en forme de rainure à section alvéolée orientée dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'au moins un bras. Ainsi, le pied de pale, 15 présentant une section complémentaire à la section alvéolée de cette rainure, peut être facilement introduit ou extrait du réceptacle suivant la direction de cette rainure, la section alvéolée de la rainure assurant la rétention de la pale contre les forces centrifuges lors de la rotation de l'hélice. Le pivot peut en outre comprendre des verrous libérables 20 permettant de bloquer le pied de pale dans la rainure après son insertion. Le pivot peut comprendre deux bras opposés s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal et soutenant chacun une masselotte. En distribuant les masselottes entre deux bras opposés, on peut diminuer sensiblement la charge en flexion de chaque bras, ce qui permet de 25 réduire la masse totale. La présente divulgation concerne également une hélice à pas variable comportant un moyeu, une pluralité de tels pivots reçus radialement dans le moyeu, et une pale fixée sur chaque pivot, ainsi qu'une soufflante, et en particulier une soufflante non-carénée, 30 comprenant au moins une telle hélice. Cette soufflante peut notamment comprendre deux hélices contrarotatives, chacune avec de tels pivots. Par ailleurs, l'invention se rapporte aussi à un turboréacteur avec une telle soufflante, ainsi qu'à un aéronef propulsé par au moins un tel turboréacteur.

La présente divulgation concerne également procédé de fabrication d'un pivot de pale d'hélice suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : création d'une première préforme ; création d'une deuxième préforme ; et consolidation desdites préformes en une seule pièce. On entend par « préforme », dans le présent contexte, un ensemble cohérent de fibres, formé par exemple par des couches superposées de fibres unidirectionnelles ou tissées, par des fibres tressées et/ou tissées en trois dimensions, ces fibres étant préimprégnées et/ou destinées à être imprégnées d'une résine thermodurcissable et/ou d'un polymère thermoplastique à l'état liquide pour former un matériau composite à matrice organique. Comme dans un tel matériau composite à matrice organique les efforts, et plus particulièrement les efforts en traction, sont principalement repris par les fibres, la création d'au moins deux préformes distinctes permet d'adapter l'orientation des fibres à celle des efforts dans chaque région du pivot. En particulier, la première préforme peut correspondre à la partie proximale du pivot, prolongée par au moins une languette destinée à s'étendre à l'intérieur dudit au moins un bras de la partie distale, la deuxième préforme enveloppant cette au moins une languette avant la consolidation desdites préformes en une seule pièce. Grâce à cette languette et à son enveloppement par la deuxième préforme, la transmission des efforts entre les fibres des deux préformes est facilité, ce qui bénéficie les propriétés mécaniques du pivot. Plus particulièrement, le procédé peut comporter une étape de cuisson d'une résine thermodurcissable imprégnant la première préforme avant l'étape de consolidation desdites préformes en une seule pièce. Ainsi, la résine imprégnant la première préforme peut être durcie avant sa consolidation avec la deuxième, ce qui facilite sa manipulation et peut aussi permettre l'utilisation de matrices organiques et/ou procédés d'imprégnation différents pour les deux préformes.35 Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un aéronef propulsé par des turboréacteurs à soufflante non-carénée ; - les figures 2A et 2B sont des vues en coupe longitudinale schématique de deux variantes de turboréacteur à soufflante non carénée avec deux hélices contrarotatives à pas variable ; - la figure 3 illustre schématiquement le fonctionnement de masselottes pour maintenir en drapeau une pale d'hélice à pas variable contre un couple aérodynamique provoqué par le vent relatif ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un pivot de pale d'hélice à pas variable suivant un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale du pivot de la figure 3 suivant le plan V-V ; - la figure 6 illustre plusieurs étapes de fabrication du pivot de la figure 3 ; - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un pivot de pale d'hélice à pas variable suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 8 est une vue latérale d'un pivot de pale d'hélice à pas variable suivant un troisième mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention Les turboréacteurs à soufflante non carénée, connus aussi comme « Open Rotor », présentent un grand intérêt pour la propulsion d'aéronefs grâce à leur grand rendement thermopropulsif. La figure 1 illustre un aéronef 1 avec deux turboréacteurs 2 à soufflantes non carénées 3 en position « pousseur ».

Comme illustré sur les figures 2A et 2B, un tel turboréacteur 2 à soufflante non carénée 3 comprend un générateur de gaz 4 et une soufflante non carénée 3 couplée à une turbine basse pression 5 en aval du générateur de gaz 4. Dans les deux exemples illustrés, le générateur de gaz 4 comprend un premier étage de compresseur 6, un deuxième étage de compresseur 7, une chambre de combustion 8, un premier étage de turbine haute pression 9, et un deuxième étage de turbine haute pression 10. Le premier étage de compresseur 6 et le deuxième étage de turbine haute pression 10 sont couplés en rotation par un premier arbre 11, tandis que le deuxième étage de compresseur 7 et le premier étage de turbine haute pression 9 sont couplés en rotation par un deuxième arbre 12, concentrique au premier arbre 11. Ainsi, en fonctionnement, l'air entrant par une entrée en amont du premier étage de compresseur 6 est compressé successivement dans les premier et deuxième étages de compresseur 6, 7 avant d'arriver à la chambre de combustion 8, dans laquelle du combustible y est injecté et brûlé. Les gaz chauds résultant de cette combustion sont ensuite détendus dans, successivement, les premier et deuxième étages de turbine haute pression 9,10 pour ainsi entraîner les étages de compresseur 6,7. Grâce à l'énergie thermique introduite dans ces gaz par la combustion, les gaz de combustion restent néanmoins assez énergétiques en aval du deuxième étage de turbine haute pression 10 pour actionner la turbine basse pression 5 entraînant la soufflante non carénée 3. Les figures 2A et 2B illustrent deux arrangements alternatifs pour l'entraînement de la soufflante non carénée 3. Dans les deux arrangements, cette soufflante non carénée 3 comprend deux hélices 3a, 3b contrarotatives et coaxiales. Toutefois, dans la première variante, illustrée sur la fig. 2A, les deux hélices 3a, 3b sont couplées à travers une même boîte réductrice 13 à au moins un étage 5a de la turbine basse pression 5, tandis que dans la deuxième variante, illustrée sur la fig. 2B, les deux hélices 3a, 3b sont entraînées directement par des étages séparés de la turbine basse pression 5, et ne sont pas couplées entre elles. Dans les deux cas, les hélices 3a, 3b peuvent normalement atteindre des vitesses de rotation élevées, générant ainsi des efforts centrifuges importants au niveau notamment du pied de chaque pale des hélices 3a, 3b.

Dans les deux variantes illustrées, les hélices 3a, 3b sont à pas variable, c'est-à-dire que chaque pale peut pivoter autour d'un axe longitudinal afin d'adapter l'orientation du bord d'attaque de la pale au régime moteur et/ou aux commandes du pilote. Pour cela, chaque pale 14 est montée sur un pivot 15, comme illustré sur la figure 3. En particulier en cas de panne moteur, il est avantageux que la pale 14 soit mise en drapeau, c'est-à-dire avec un angle d'attaque sensiblement nul par rapport au vent relatif vr. On peut ainsi empêcher que le vent relatif fasse tourner l'hélice, ce qui provoque une traînée supplémentaire et peut même causer une survitesse de l'hélice avec des conséquences négatives pour l'intégrité structurelle de l'ensemble du turboréacteur 1. Il est particulièrement souhaitable que chaque hélice 3a, 3b comporte des moyens passifs pour maintenir chaque pale 14 en drapeau même en cas de défaillance des dispositifs d'actionnement du pas d'hélice, dispositifs typiquement hydrauliques ou électriques. En effet, le centre de poussée L de chaque pale 14 peut être décalé par rapport à l'axe de pivotement Z du pivot 15, générant ainsi un couple aérodynamique Ma tendant à pivoter la pale 14. De plus, un couple inertiel Mi est engendré aussi du fait du déport du centre de gravité G de la pale 14 par rapport à l'axe de pivotement Z. Pour contrer le couple aérodynamique Ma et le couple inertiel Mi afin de maintenir la pale 14 en drapeau, des masselottes 16 sont suspendues de bras 17 s'étendant latéralement par rapport à l'axe de pivotement Z. L'orientation de ces bras 17 est sensiblement perpendiculaire à l'intrados et à l'extrados de la pale 14, de telle manière que, quand l'hélice 3a, 3b tourne autour de son axe de rotation X, les forces centrifuges Fc s'exerçant sur les masselottes 16 auront tendance à aligner la direction principale Y' des bras 17 avec une direction tangentielle Y de l'hélice 3a,3b, contrant ainsi le couple aérodynamique Ma et le couple inertiel Mi et réalignant la pale avec la direction du vent relatif vr.

La figure 4 illustre un pivot 15 de pale d'hélice suivant un premier mode de réalisation de l'invention. Ce pivot 15 est principalement en matériau composite à matrice organique et comprend une partie proximale 15a et une partie distale 15b. La partie proximale 15a présente une forme sensiblement axisymétrique avec des épaulements radiaux, de manière à permettre son insertion dans un orifice radial d'un moyeu d'hélice, et sa rétention dans cet orifice tout en permettant la rotation du pivot 15, par rapport à cet orifice, autour de l'axe de pivotement Z. La partie distale 15b comprend les bras 17 aux extrémités desquels sont montées les masselottes 16, ainsi que, entre ces deux bras 17, un réceptacle 20 en forme de rainure à section transversale alvéolée, orientée suivant une direction X' sensiblement perpendiculaire à l'axe de pivotement Z et à la direction principale Y' des bras 17, et destinée à recevoir le pied de la pale 14. Pour mieux reprendre les efforts centrifuges transmis par ce pied de pale, et éviter notamment des délaminations dans le matériau composite à matrice organique du pivot 5, ce réceptacle 20 est formé dans un insert métallique 23 intégré dans le matériau composite à matrice organique. Après son introduction dans ce réceptacle 20 suivant la direction X' de la rainure, le pied de pale peut être bloqué dans cette direction par des verrous transversaux (non illustrés) dans ce réceptacle 20. La section alvéolée du réceptacle 20 assure la reprise des efforts centrifuges exercés sur la pale suivant la direction de l'axe de pivotement Z, tout en couplant la pale au pivot 15 en rotation autour de cet axe de pivotement Z. Le matériau composite à matrice organique du pivot comprend des fibres noyées dans une matrice organique, et plus spécifiquement polymérique. Ces fibres peuvent notamment être des fibres de carbone, quoique d'autres types de fibres, comme par exemple les fibres de verre, les fibres de polyamide, ou celles de polyéthylène, entre autres. Ces fibres peuvent être arrangées par couches unidirectionelles, tissées en deux ou trois dimensions et/ou tressées. Elles sont noyées dans une matrice organique, plus spécifiquement polymérique, qui peut notamment être formée par une résine thermodurcissable, telle que la résine d'époxy, ou d'autres résines thermodurcissables mieux adaptées aux hautes températures. Dans ce premier mode de réalisation, comme l'on peut voir sur la figure 5, les fibres 18 de la partie proximale 15a, qui dans la partie proximale sont principalement orientées suivant l'axe de pivotement Z afin de mieux transmettre les efforts en traction exercés par les forces centrifuges, se prolongent à l'intérieur des bras 17, de manière à assurer la liaison entre la partie proximale 15a et la partie distale 15b. Afin notamment de mieux reprendre les efforts en flexion au niveau des bras 17, ces fibres 18 sont renforcées sur la partie distale 15b par d'autres fibres 19 principalement orientées suivant la direction des bras 17. Les fibres 18 peuvent notamment être tressées et/ou former des couches superposées de fibres tissées en deux dimensions, tandis que les fibres 19 de renfort de la partie distale 15b peuvent notamment être tissées en trois dimensions et/ou former des couches superposées de fibres tissées en deux dimensions. La figure 6 illustre les étapes d'un procédé de production par moulage par transfert de résine (RTM) du pivot 15 suivant ce premier mode de réalisation. Dans une première étape de ce procédé, une première préforme formée par les fibres 18 est introduite dans une cavité de moulage d'un premier moule 50, lequel est refermé et dont l'air en est évacué pour y injecter une première résine thermodurcissable et imprégner les fibres 18 de cette première préforme. La cavité de moulage du premier moule 50 est chauffée afin de cuire la première résine thermodurcissable et, après cette première cuisson, la pièce intermédiaire 51 avec les fibres 18 dans une matrice organique formée par la première résine thermodurcissable est extraite de ce premier moule 50. Cette pièce intermédiaire 51, ainsi que l'insert métallique 23 et les masselottes 16, sont introduites avec une deuxième préforme formée par les fibres 19 de renfort de la partie distale du pivot 15 dans une cavité de moulage d'un deuxième moule 52. Plus particulièrement, la pièce intermédiaire 51, tout comme l'insert 23 et les masselottes 16, peuvent être partiellement insérés dans cette deuxième préforme 19. Le deuxième moule 52 est alors refermé, et l'air est évacué de sa cavité de moulage pour y injecter une deuxième résine thermodurcissable imprégnant ainsi les fibres 19 de cette deuxième préforme. La cavité de moulage du deuxième moule 52 est chauffée afin de cuire la deuxième résine thermodurcissable. Après cette deuxième cuisson, le pivot 15 peut être extrait du deuxième moule 52.

Avec ce procédé, il est donc possible d'utiliser des matrices organiques différentes pour les fibres 18 et les fibres 19, permettant ainsi, par exemple, d'utiliser une première résine thermodurcissable à haute résistance thermique pour la partie proximale 15a du pivot 15, qui sera normalement soumis à des températures plus élevées, de l'ordre de 200°C, et une deuxième résine thermodurcissable, moins résistante aux hautes températures mais plus économique, pour une grande partie de la partie distale 15b du pivot 15. En outre, le moulage par transfert de résine permet d'industrialiser plus facilement la production des pivots et de réduire en conséquence les coûts de production. Néanmoins, des procédés alternatifs sont aussi envisageables. Ainsi, par exemple, le moulage par transfert de résine pourrait s'effectuer en une seule étape, avec un seul moule dans lequel seraient placés ensemble les deux préformes pour l'injection et cuisson d'une seule résine thermodurcissable. Une autre alternative consisterait à utiliser la technique de moulage par transfert de résine pour uniquement la première préforme, pour stratifier ensuite, sur la pièce intermédiaire résultante, des couches des fibres 19 de renfort préimprégnées de résine thermodurcissable et procéder à leur cuisson par exemple en autoclave. La figure 7 illustre un pivot 15 suivant un deuxième mode de réalisation dans lequel les fibres de la partie proximale 15a ne présentent 15 pas de prolongation dans la partie distale 15b. Dans ce deuxième mode de réalisation, la partie proximale 15a et la partie distale 15b sont jointes par collage. Les éléments restants de ce pivot 15 sont néanmoins analogues à ceux du premier mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence dans le dessin.

20 La figure 8 illustre un pivot 15 suivant un troisième mode de réalisation similaire au deuxième, mais dans lequel la partie proximale 15a et la partie distale 15b sont jointes par une connexion boulonnée 24 formée par des plaques 25 prenant appui sur l'extrémité distale du pivot 15, et des boulons 26 reliant ces plaques 25 à la partie proximale 25 métallique 15a. Les éléments restants de ce pivot 15 sont néanmoins analogues à ceux du deuxième mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence dans le dessin. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes 30 modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins 35 doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Pivot (15) de pale (14) d'hélice (3a,3b), comportant au moins : une partie proximale (15a) apte à être retenue dans un orifice radial d'un moyeu d'hélice tout en pouvant tourner dans cet orifice autour d'un axe longitudinal (Z) du pivot (15) ; et une partie distale (15b) comprenant un réceptacle (20) apte à retenir un pied de pale, et au moins un bras (17) s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal (Z) et soutenant une masselotte (16) ; le pivot (15) étant caractérisé en ce que chacune desdites parties proximale et distale (15a,15b) est principalement en matériau composite à matrice organique.
2. 2. Pivot (15) suivant la revendication 1, dans lequel des fibres de la partie proximale (15a) se prolongent à l'intérieur dudit au moins un bras (17) de la partie distale (15b).
3. 3. Pivot (15) suivant la revendication 1, dans lequel lesdites parties proximale et distale (15a,15b) sont jointes par collage.
4. 4. Pivot (15) suivant la revendication 1, dans lequel lesdites parties inférieure et supérieure (15a,15b) sont jointes par une connexion boulonnée (24).
5. 5. Pivot (15) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit réceptacle (20) est formé dans un insert métallique (23) intégré dans le matériau composite à matrice organique de la partie distale (15b) du pivot (15).
6. 6. Pivot (15) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit réceptacle (20) est en forme de rainure à section alvéolée orientée dans une direction sensiblement perpendiculaire audit au moins un bras (17).
7. 7. Pivot (15) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite partie distale (15b) comprend deux bras opposés (17) s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal (Z) et soutenant chacun une masselotte (16).
8. 8. Procédé de fabrication d'un pivot (15) de pale d'hélice (3a,3b) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les 35 étapes suivantes : création d'une première préforme ;création d'une deuxième préforme ; consolidation desdites préformes en une seule pièce.
9. 9. Procédé suivant la revendication 8, dans lequel la première préforme correspond à la partie proximale (15a) du pivot (15), prolongée par au moins une languette destinée à s'étendre à l'intérieur dudit au moins un bras (17) de la partie distale (15b), la deuxième préforme enveloppant cette au moins une languette avant la consolidation desdites préformes en une seule pièce.
10. 10. Procédé suivant la revendication 9, comprenant une étape de 10 cuisson d'une résine thermodurcissable imprégnant la première préforme avant l'étape de consolidation desdites préformes en une seule pièce.