WO2021089616A1

WO2021089616A1 - Rotor d'aeronef mono-pale

Info

Publication number: WO2021089616A1
Application number: PCT/EP2020/080951
Authority: WO
Inventors: Jean-Michel Simon; Louis Chemouni
Original assignee: Innostar; Hutchinson
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2021-05-14
Also published as: EP4054934A1; US20220388641A1; FR3102751A1; CN114641430A; US11987347B2

Abstract

Rotor d'aéronef à voilure tournante équipé d'une mono-pale (1) avec un axe de pas longitudinal (LL), montée articulée sur l'arbre de rotation du rotor autour d'un axe transversal (4) à cet arbre de rotation, ladite voilure décrivant un cône lorsque l'angle de son pas n'est pas nul, rotor possédant un dispositif (6) à masselotte(s) d'équilibrage de la résultante (F8) de la composante horizontale (F6) de la force de portance et de la force (F7) de traînée de rotation de la pale, monté tournant avec la voilure autour de son arbre de rotation et engendrant, sous l'effet de la force centrifuge à laquelle il est soumis lors de la rotation de la voilure, une force horizontale (F9), appliquée à l'arbre de rotation du rotor, opposée à la résultante susdite, avec une intensité fonction de la position de la (des) masselotte(s) du dispositif d'équilibrage par rapport à l'arbre de rotation du rotor.

Description

ROTOR D' AERONEF MONO-PALE

La présente invention concerne un rotor d'aéronef à voilure tournante à une seule pale.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

Il est connu de l'état de la technique des rotors n'ayant qu'une pale, équilibrée en regard de la force cen trifuge par un contrepoids. Cet équilibre est presque par fait - à une traînée de frottement près - quand le pas de la pale est nul. La question est autre quand on cherche à donner une portance à la voilure tournante en agissant sur le pas de la pale car dans ce cas, la pale en rotation décrit un cône dont la pointe est tournée vers le bas. La force de portance exercée sur la pale est alors inclinée de quelques degrés vers l'axe du cône. Elle possède donc une composante verticale qui est compensée par le poids de l'aéronef et une composante horizontale, dirigée vers l'axe du rotor et qui constitue une force tournante autour de cet axe. Cette force est génératrice d'une vibration de fréquence égale à celle de la rotation et d'amplitude qui dépend, à vitesse de ro tation constante, de l'angle du cône décrit par la pale. Cette vibration se transmet à la structure de l'appareil de manière indésirable et est une cause d'usure importante et rapide des organes tournants dans les paliers du mât-rotor et de ces paliers eux-mêmes.

Des solutions à ce problème ont été décrites dans le document US 6.619.585. Le principe général de ces solutions est de déplacer le centre de masse du rotor par rapport à son axe vertical de rotation en fonction de la valeur de l'angle au sommet du cône décrit par la mono-pale. Les mé canismes mis en œuvre agissent sur la position du contrepoids comme également dans le document US 2018222579 qui propose d'agir sur le contrepoids pour ajuster la compensation de la seule force centrifuge dont le point d'application sur la mono-pale a varié du fait de la conicité susdite. On a cons taté que cette action sur le contrepoids demande des moyens difficiles à mettre en œuvre. Par ailleurs, la traînée de rotation de la mono-pale est un effort parasite qui n'est pas compensé par la traînée de rotation du contrepoids de la mono-pale. Cette force, perpendiculaire à l'axe de la pale, est tournante autour de l'axe de rotation et demande à être équilibrée dynamiquement pour réduire sinon supprimer la vibration qu'elle engendre au niveau des paliers du rotor.

Aussi cette force se compose-t-elle avec la précé dente et ajoute à l'effort parasite non équilibré qui est encaissé par la structure de l'appareil de manière indési rable et renforce les risques d'usure importante et rapide des organes tournants dans les paliers du mât-rotor et de ces paliers eux-mêmes.

BUT DE L'INVENTION L'invention entend pallier ces inconvénients en pro posant un dispositif de compensation de cette résultante des forces parasites que forment la composante horizontale de la force de portance et de la traînée de rotation s'exerçant sur la pale. EXPOSE DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention a pour objet un rotor d'aé ronef à voilure tournante, équipé d'une mono-pale avec un axe de pas longitudinal, montée articulée sur l'arbre de rotation du rotor autour d'un axe transversal à cet arbre de rotation, ladite voilure décrivant un cône lorsque l'angle de son pas n'est pas nul. Le rotor possède un dispositif à masselotte (s) d'équilibrage de la résultante de la compo sante horizontale de la force de portance et de la force de traînée de rotation de la mono-pale, monté tournant avec la voilure autour de son arbre de rotation et engendrant, sous l'effet de la force centrifuge à laquelle il est soumis lors de la rotation de la voilure, une force horizontale, appli quée à l'arbre de rotation du rotor, opposée à la résultante susdite, avec une intensité fonction de la position de la (des) masselotte(s) du dispositif d'équilibrage par rapport à l'arbre de rotation du rotor. L'effet de ce dispositif est d'exercer sur l'arbre de rotation du rotor, lorsque la pale est en rotation et est portante, une force opposée à la résultante de la composante horizontale de la force de portance et de la force de traînée que subit cette pale, soit transmise par la racine de la pale à cet arbre, soit transmise directement à cet arbre. On comprend que l'intensité de cette force dépend de la masse et de la position de la ou des masselottes et de sa ou leur distance à l'axe de rotation, ce pour une vitesse de rotation donnée. Il faut en outre noter que la vitesse de rotation, la portance et la traînée de la voilure sont liées. Ainsi, pour obtenir une portance donnée, l'angle de pas de la mono pale est d'autant plus important que la vitesse est plus faible, par exemple inférieure à la vitesse nominale. Par exemple au décollage et à l'atterrissage, il peut être en effet utile d'opérer sous la vitesse nominale, notamment pour limiter le bruit émis par la voilure.

Plusieurs formes de réalisation de ce dispositif d'équilibrage sont possibles. Chacune d'elles sera princi- paiement déterminée en fonction de la qualité et la finesse de la compensation que l'on souhaite obtenir.

En effet, dans certains usages d'une mono-pale, celle-ci possède un angle d'attaque (ou pas de la pale) pratiquement constant sur la presque totalité de son régime de service et ne possède que deux phases de fonctionnement transitoires très courtes par rapport à ce régime. C'est le cas, par exemple, d'aéronefs à décollage vertical qui sur volent de manière quasi-stationnaire une zone terrestre à surveiller ou contrôler. Dans cette application, on peut tolérer que, pendant ces phases transitoires, il existe une compensation imparfaite de cette force parasite et donc ac cepter l'existence de vibrations temporaires. La masselotte d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'in vention sera alors disposée de manière permanente à l'extré- mité d'un bras orienté parallèlement à la direction de la force parasite à compenser, fixé par son autre extrémité à la racine de la mono pale ou à l'arbre rotor. Dans cette position fixe déterminée, la force centrifuge qu'elle subit ne compense exactement la résultante susdite des forces pa rasites qu'en régime de service relatif au vol stationnaire de l'appareil. Dans une variante de cette réalisation, il est possible de prévoir une masselotte mobile entre deux positions, une première position sur le bras correspondant à une compensation nulle, verrouillée par un loquet ou ana logue qui s'efface lorsqu'un certain angle de pas de la pale est atteint (par exemple 60-70% de l'angle de pas nominal) pour lui permettre d'atteindre une seconde position sur le dit bras correspondant une compensation relativement effi cace (environ 85% de la résultante des forces parasites) lors du régime de service par exemple avec une charge utile d'environ 90% de la charge maximale au décollage (MTOW). Un ressort convenablement taré permet de rappeler la masselotte de la seconde position à la première quand l'angle de pas de la pale passe sous le seuil susdit.

Dans d'autres usages, la mono-pale fonctionne sous un régime essentiellement variable (le pas collectif de la pale étant variable ainsi que peut l'être aussi la vitesse de rotation) et la compensation doit être ajustée en perma nence en fonction des variations de ce régime. Cet ajustement est alors obtenu par le réglage en continu de la position de la masselotte le long du bras susdit, parallèle à la direc tion de la résultante des forces parasites.

Après avoir recherché plusieurs lois de variation des paramètres à prendre en considération pour réaliser ce réglage continu, il est apparu que le carré du pas de la pale est une bonne variable d'asservissement de la distance de la masselotte à l'axe de rotation du rotor dans la direc tion définie ci-dessus, direction dont on a constaté qu'elle variait peu selon la charge. Il est important de noter que cette loi parabolique (fonction du carré du pas de la pale) permet un bon équilibrage de cet effort parasite horizontal quelles que soient les conditions de charge de l'aéronef. La compensation obtenue est supérieure à 90% de l'effort para site.

Il est alors aisé de concevoir un ou plusieurs mé canismes d'asservissement pour mettre en œuvre cette loi de variation.

En conséquence, dans une autre réalisation de l'in vention, la masselotte du mécanisme est montée mobile le long de la direction, oblique sur l'axe longitudinal de la mono-pale au voisinage de l'axe de rotation du rotor tandis qu'un actionneur de son déplacement le long de cette direc tion oblique est commandé en réponse au carré de l'angle de pas de la mono-pale.

Ainsi de manière simple, cet actionneur comporte une tige filetée d'axe oblique selon la direction divergente indiquée ci-dessus avec laquelle la masselotte coopère à la manière d'un système vis-écrou, un moteur, calé sur la vis pour sa manœuvre en rotation et une unité de commande du moteur, recevant en entrée une information continue relative à l'angle de pas de la pale pour délivrer une commande du moteur appropriée. On peut adjoindre à ce mécanisme un organe de rappel de la masselotte dont l'effet est opposé à celui de la force centrifuge pour réguler l'effort moteur à four nir. La direction de cette tige filetée sera inclinée de manière à diverger du bord d'attaque de la mono-pale, en avant de celui-ci

Ce qui précède est vérifié indépendamment de la va leur de la vitesse de rotation de la voilure. Dans certains cas, il peut être utile de faire varier la vitesse de rota tion, par exemple la diminuer par rapport à la vitesse no- minale afin de réduire le bruit émis par l'appareil. En effet, pour obtenir une portance identique il convient d'aug menter le pas de la pale et de manière intéressante, cette augmentation de l'angle de pas est prise en compte par la loi d'asservissement du déplacement de la masselotte pour favorablement compenser la baisse de vitesse de rotation de la mono-pale. On mentionnera également un autre mode de réalisa tion de l'invention dans son application à la compensation, de la résultante des forces parasites. Il est constitué par au moins une paire de masselottes qui tourne en synchronisme avec la pale et dont chaque masselotte est réglable en po sition angulaire autour de l'axe de l'arbre rotor. On com prend qu'en agissant sur la position de chaque masselotte relativement, d'une part à l'axe longitudinal de la pale et, d'autre part à la position de l'autre masselotte on peut créer un balourd de position et de masse réglable qui sera soumis à une force centrifuge, d'intensité et de direction réglable en conséquence, qui sera en opposition avec l'ef fort parasite à compenser.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise au cours de la des cription et des dessins donnés ci-après. Il sera fait réfé rence aux figures dans lesquelles :

- la figure 1 est un schéma illustrant l'effort pa rasite horizontal subi par une mono-pale, représentée de profil, résultant de la portance de la voilure,

- la figure 2 est un schéma, illustrant vu de dessus, la résultante horizontale de l'effort parasite dû à la por tance avec celui dû à la traînée de rotation de la pale et le principe de la compensation selon l'invention, - la figure 3 est le schéma d'un exemple de réali sation d'un premier dispositif de compensation selon l'in vention,

- la figure 4 est une variante de réalisation de la figure 3 adaptée aux aéronefs de petite taille, - la figure 5 est un schéma d'un exemple de moyens mis en œuvre pour la commande du dispositif de compensation de la figure 3 ou de la figure 4,

- la figure 6 est un schéma d'un autre mode de réa lisation du dispositif de compensation des vibrations selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION A la figure 1, on a représenté une mono-pale 1 en rotation R contra-horaire autour de l'axe rotor ZZ avec son contrepoids 2. Le rotor (ou arbre rotor) 3 est entraîné par un moteur 3a et la pale 1 est articulée librement sur l'arbre rotor 3 autour d'un axe transversal 4. Le pas de cette pale 1 n'est pas nul si bien que, comme représenté, la pale 1 décrit un cône d'angle A sur le plan XX perpendiculaire à l'axe ZZ du rotor, plan qui contiendrait la pale 1 en rota tion si le pas de la pale 1 était nul. Appliquées au centre de gravité 5 de la pale 1 et à celui du contrepoids 2, les forces centrifuges Fl et F2 sont opposées et équilibrées, La force de portance F3 possède une composante verticale F4 équilibrée par la charge soulevée F5. On n'a pas représenté la portance appliquée au contre- poids 2 qui est négligeable. On constate, sur cette figure, que la composante horizontale F6 de la portance est dirigée vers le rotor 3 et n'est pas compensée.

Sur la figure 2, qui est une vue de dessus de la figure 1, en plus des éléments déjà représentés, on aura illustré par F7 la traînée de rotation de la pale 1 en négligeant celle appliquée au contrepoids 2. Le bord d'at taque de la pale 1 est noté la.

La figure 2 fait apparaître que la force horizontale F8, résultant de la composition de la traînée F7 et de la composante horizontale F6 de la portance n'est pas équili brée, ce qui se traduit par la création de vibrations para sites au niveau de l'encastrement et des paliers de l'arbre rotor 3 dans la structure de l'aéronef.

La force F8 est orientée le long d'une direction D qui est sensiblement constante quelle que soit la valeur de la charge soulevée donc quel que soit le pas collectif de la pale 1. Par la simulation, on a constaté que cette direction D est inclinée sur l'axe longitudinal de pas LL de la mono pale 1 d'un angle B compris entre 65 et 80 degrés, de pré- férence entre 70 et 75 degrés, ici 70 degrés. L'intensité de cette force dépend quant à elle de la valeur du pas de la pale 1 et les calculs montrent qu'elle dépend, en bonne approximation, de la valeur du carré de ce pas collectif puisque l'angle A est faible (de l'ordre de quelques - 2 à 5 - degrés). Ainsi, pour compenser le déséquilibre de cette force

F8, un dispositif 6 selon l'invention est représenté à la figure 3 qui engendre sur la pale 1, une force F9 opposée à la force F8. Ce dispositif comprend une masselotte 7 qui subit une force centrifuge lors de la rotation de la pale 1. Elle est montée à déplacement le long d'un guide 8, dont une extrémité 8a est solidaire de la pale 1, à son pied, au plus près du rotor 3. Par exemple, la pale 1 possède une racine en forme d'étrier 9 qui est articulé au rotor 3 autour de l'axe transversal 4. Le dispositif 6 est donc logé avanta- geusement entre les branches de cet étrier 9. La force cen trifuge subie par la masselotte 7 donne naissance à la force F9 dans la direction du guide.

Le guide 8 s'étend le long d'une direction D inclinée sur l'axe d'un angle B correspondant à celui que forme sur cette direction la résultante F8 de la composante horizon tale F6 de la force de portance F3 et de la force de traînée F7 de rotation de la pale 1. Il s'ensuit une suppression ou du moins une diminution sensible des vibrations et con traintes tournantes que subit l'arbre rotor 3. Le mode de réalisation représenté schématiquement à cette figure 3 est surtout adapté aux aéronefs dont le régime principal est le vol stationnaire. La portance de la voilure est constante et la force F8 est également constante. La masse de la masselotte 7 est calculée pour que, dans sa position en extrémité 8b du guide 8 du côté du bord d'attaque la de la pale 1, elle compense correctement la force F8. On notera que dans le cas d'une masselotte 7 non pilotée par l'angle de pas de la pale 1, la masselotte 7 est libérée d'une position proche de l'axe rotor vers sa position proche du bord d'attaque de la pale 1 quand le ressort 10 taré

« cède » ou, de manière plus générale, quand un verrou de la masselotte 7 s'efface à la vitesse de rotation nominale de la pale 1, le ressort 10 servant au rappel de cette masse- lotte?.

A la figure 4 on retrouve la plupart des éléments décrits en regard de la figure 3 avec les mêmes références.

Le dispositif de compensation des efforts parasites agit alors directement sur l'arbre rotor 3 tout en tournant avec la mono pale, le guide 8 étant une tige radiale de direction D solidaire d'un palier calé en rotation sur l'arbre rotor 3.

La masse de la masselotte 7 est calculée pour que, dans sa position en extrémité du guide 8, ici vers le bord d'attaque la de la pale 1, elle engendre une force F9 qui compense correctement la force F8. Cette disposition est intéressante sur les petites machines où l'on recherche la simplicité.

L'angle du pas de la pale 1 sera avantageusement, dans ce cas, porté à sa valeur maximale dès que la vitesse de rotation du rotor 3 aura atteint 30% (par exemple) de la vitesse de rotation nominale.

Dans le cas d'un aéronef destiné à connaître des régimes variables entre vol stationnaire et vol de croisière, la portance varie d'un régime à l'autre car le pas de la pale 1 varie également. Il s'agit alors de disposer d'un dispositif qui s'adapte aux variations de la force F8 dont on rappelle qu'elle varie en raison du carré de l'angle de pas de la pale 1.

Dans ce cas illustré par la figure 5, le déplacement de la masselotte 7 le long du guide 8 est asservi par une unité de commande 11 d'un moteur 12 qui fait tourner le guide

8 qui est par exemple une vis, la masselotte 7 étant alors un écrou calé en rotation, coopérant avec la vis à l'instar d'un système vis-écrou. Le ressort 13 a pour fonction dans ce cas de soulager l'effort du moteur, notamment dans le sens de rotation qui produit une augmentation de la force centrifuge subie par la masselotte. Dans une réalisation non représentée, le moteur peut constituer la masselotte elle-même coopérant avec le guide 8 selon une chaîne cinématique appropriée. Cette masselotte peut aussi comprendre la batterie d'alimentation du moteur. L'unité de commande du moteur reçoit en entrée le signal « a » correspondant à la valeur instantanée de l'angle de pas de la pale 1 (valeur moyennée sur un tour ou un espace de temps donné) et, dans une version plus élaborée du dis positif, le signal « v » émis par un ou plusieurs accéléro- mètres ou capteurs de vibrations 14 au niveau de la structure recevant le rotor. L'unité de commande 11 agira alors sur le moteur 12 dans le sens d'une minimisation du signal « v ». Le dispositif 14 est, de manière connue, situé soit sur un élément de structure proche du mât rotor soit sur le mât rotor lui-même.

En regard enfin de la figure 6, on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif de compensation se lon l'invention. Il comporte au moins une paire de masse- lottes 15 et 16 portées chacune par l'extrémité libre d'un bras 17 et 18, l'autre extrémité étant solidaire d'une bague 19 (la figure n'en fait apparaître qu'une seule) d'axe con fondu avec celui de l'arbre rotor 3. Chaque bague est in- dexable angulairement par rapport à l'axe de rotation du rotor 3 et donc par rapport à l'axe longitudinal de la pale 1. On comprend que la position indexée par rapport à la pale

1 de chaque masselotte et leur écartement angulaire définit la direction DI (il s'agit de la bissectrice de l'angle formé par les deux bras 17 et 18) de la résultante F10 des forces centrifuges subies par les masselottes et l'intensité de cette résultante (cette résultante F10 est nulle quand les masselottes sont diamétralement opposées). Une commande de l'indexation de chaque masselotte par un dispositif d'asser vissement approprié, par exemple à la variation du pas de la pale 1, comme évoqué ci-dessus, permet d'ajuster la compen- sation en fonction des variations du régime de vol de l'ap pareil. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et englobe toute variante en trant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications . Ainsi, ce n'est pas sortir du cadre de l'invention que de prévoir une autre paire de masselottes telles que celles 15 et 16 s'il est nécessaire de compenser des efforts parasites dont l'intensité demanderait de mettre en place des masselottes trop volumineuses. Ce n'est pas sortir non plus du cadre de l'invention que d'assurer, sur les mêmes principes, une compensation des efforts parasites d'une voilure dans laquelle le contrepoids est une pale courte qui, en rotation, possède également une composante de la force de portance horizontale mais dirigée vers l'extrémité de la pale et une composante de traînée horizontale qui se compose avec cette composante horizontale de la force de portance pour engendrer un effort parasite le long de la pale/contrepoids à l'opposé de l'effort parasite existant dans la direction de la mono pale. Il s'ensuit, du fait de la composition de l'ensemble des forces en jeu (les composantes horizontales des portances et des traînées) et de la géométrie de la voilure tournante (conicité décrite plus aplatie) que les masselottes du dispositif d'équili brage à masselottes selon l'invention seront de masses plus faibles.

Claims

REVENDICATIONS

1. Rotor d'aéronef à voilure tournante équipé d'une mono-pale (1) avec un axe de pas longitudinal (LL), montée articulée sur l'arbre de rotation du rotor autour d'un axe transversal (4) à cet arbre de rotation, ladite voilure décrivant un cône lorsque l'angle de son pas n'est pas nul, caractérisé en ce qu'il possède un dispositif (6) à masselotte(s) d'équilibrage de la résultante (F8) de la composante horizontale (F6) de la force de portance et de la force (F7) de traînée de rotation de la pale, monté tournant avec la voilure autour de son arbre de rotation et engen drant, sous l'effet de la force centrifuge à laquelle il est soumis lors de la rotation de la voilure, une force horizon tale (F9), appliquée à l'arbre de rotation du rotor, opposée à la résultante susdite, avec une intensité fonction de la position de la (des) masselotte(s) du dispositif d'équili brage par rapport à l'arbre de rotation du rotor.

2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif ne comporte qu'une seule masselotte (7) d'équilibrage portée par un bras (8) dont une extrémité (8a) est solidaire de la racine de la pale (1) qui s'étend en avant dudit axe longitudinal de pas (LL) dans le sens de rotation de la pale et est incliné d'un angle (B) sur cet axe, correspondant à celui que forme sur ledit axe ladite résultante (F8).

3. Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masselotte (7) est fixée sur ce bras (8) dans une position déterminée pour que la force de compensation (F9) obtenue dans cette position ne compense exactement la résul tante susdite que pour un angle de pas nominal de la mono pale.

4. Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masselotte (7) est réglable en position le long du bras (8).

5. Rotor selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'axe du bras (8) passe par l'axe de l'arbre de rotation du rotor(3).

6. Rotor selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'angle (B) susdit est compris entre 65 et 80 degrés et de préférence 70 et 75 degrés.

7. Rotor selon la revendication 4, caractérisée en ce que la masselotte (7) est accouplée à un organe de com mande (11) de son déplacement le long du bras, proportionnel au carré de l'angle de pas de la mono-pale (1).

8. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (6) à masselottes d'équilibrage comporte au moins une paire de masselottes (15,16), chacune disposée à l'extrémité libre d'un bras (17,18)qui tourne en synchro nisme avec la pale et qui est réglable en position angulaire autour de l'axe de l'arbre rotor (3).