Brevet FR2080518A1 — publié le 19711119

La présente invention a pour objet un profil de voilure ou de pale à caractéristiques de s.tstentation améliorées, et pouvant être utilisé pour des hélices de propulsion de véhicules aériens et marins, pour des profils ailes d'avions et des vaisseaux à surface portante hydrodynamique, ou encore pour les pales de rotors des étages de compression des turbines à gazO Il est bien connu, que les profils de voilures ou de pales sont conçus selon des principes aérodynamiques selon lesquels la face ou la surface arrière du profil est plate et la surface avant ou supérieure est convexe, le profil ayant ainsi une courbure positive0 Lorsque ces profils sont utilisés pour les hélices, il est bien connu que pendant le fonctionnement, la rotation de lvhélice dans un milieu fluide autour du moyeu rotatif sur lequel sont montées les pales, entraîne le déplacement de celles-ci dans le fluide selon un angle de pas de l'hélice par rapport au plan de rotation de celle-ci. Cette rotation est due à une pression positive sur la surface plate de la pale et à une pression négative au-dessus de la surface supérieure de cette pale, cette pression négative constituant environ les. deux tiers de la poussée obtenue0 Ces pales d'hélice sont généralement recourbées uniformément entre le bord d'attaque et le bord de fuite de manière à éliminer les pics de pression négative audessus de la surface convexe supérieure0 Un certain nombre de problèmes importants se posent lorsque ces principes sont appliqués, et en particulier, il a été observé que la chute de pression induite au-dessus de la surface supérieure de ces pales d'hélice peut engendrer une certaine turbulence (ou"cavitatiori' selon le terme utilisé généralement dans la marine), particulièrement pour les vitesses élevées des pales.Cette turbulence ou cavitation peut endommager les pales, engendrer des vibrations et créer des caractéristiques excessives de traînée, La "déflexion descendante" qui se produit au. bord de fuite des pales sous l'effet du contour convexe de leur surface supérieure, crée un angle dvincidence de la pale par rapport à la direction d'écoulement du milieu fluide0 Cet angle dtincidence crée une composante de tramée agissant à l'opposé du couple de l'arbre de l9he'lice, pour empêcher la rotation de cellemci dans le milieu fluide0 Les remarques précédentes peuvent également seappliquer aux profils de pales de rotor utilisés dans les étages de compression deun moteur à turbine à gaz, ainsi qu'aux ailes d'avions et de vaisseaux à surface portante hydrodynamique0 Dans tous ces profils, la sustentation est obtenue, comme il a éte mentionné cimdessus, par la création deune pression négative aundessus de la surface convexe supérieure du profil, et d9une pression positive mineure sur la surface du profil, Bien que la sustentation résultante soit due à l'accélération dl milieu fluide vers le bas, une chute de pression est créée sur le profil de la surfacez dirigeant tout d'abord l'écoulement de fluide vers le haut avant de se diriger vers le bas sous leeffet de la forme du profil de voilure0 Ce procédé de création de la portance comporte un certain nombre de problèmes, les principaux étant a) la possibilité que la surface supérieure convexe du profil face suivre à l'écoulement de fluide son contour supérieur dans des conditions d'écoulement laminaire, ou même dans des conditions dvécoulement turbulent, lorsque la rotation de l'accélération du fluide autour de la surface supérieure crée une séparation de leécoulementO Lorsque cette condition s'aggrave, il en résulte une coupure complete de l'écoulement de fluide9 suivie d'un décollement des filets d'air, et la portance dimlnue rapidement0 b) la vitesse de rotation autour de la surface supé- rieure du profil crée une deflexion descendante au bord de fuite, qui à son tour, crée un angle deincidence et une composante de trainée proportionnelle0 En outre, il se produit des tourbillons au bord de fuite lorsque les écoulements supérieur et inférieur (d des pressions et des vitesses différentes) se rencontrent immédiatement en arriere du bord de fuite0 c) le fait que leécoulement de fluide incident soit aspiré vers le haut vers la surface supérieure à basse pression, avant de descendre au bord de fuite, implique qu'un travail a été fait pour élever '8lécoulement de fluide11, résultant du travail fait pour diriger cet écoulement vers le bas pour arriver à la force de sustentation résultante vraie, d) un profil de voilure classi-que est fondamentalement instable, La plus grande partie de la sustentation étant produite par la création de la pression négative auWdessus de la surface supérieure convexe vers le bord attaque, tout accroissement de la portance tenc à accentuer le moment et à élever le bord d'attaque, et, il n9y a pas dobstacles, il s'ensuit un angle d'incidence plus grand, une portance supérieure, et le départ éventuel d'une condition de stabilité, L'invention propose donc un profil de voilure perfectionné ayant des caractéristiques de sustentation améliorées, pour lequel la plus grande partie de la poussee est produite à partir de la pression positive exercée par un milieu fluide sur sa surface, au lieu d'utiliser la pression négative sur sa surface supérieure0 Selon l'invention, le déplacement maximum du fluide se fait dans une région restreinte à proximité du bord d'attaque du profil, ce qui permet un accroissement de la surface plane pour effiler ltécoulement de fluide et réduire la turbulence due aux tourbillons du bord de fuite inhérents à la configuration du profil de voilure classique, Cette élimination des tourbillons du bord de fuite réduit l'angle d'incidence et par conséquent réduit la traînée induite ainsi que le décollement des filets d'air. Le profil de voilure conforme à l'invention comporte un bord d'attaque et un bord de fuite, ainsi qutune surface supérieure et une surface arrière, cette surface arrière ayant une forme convexe commençant au bord d'attaque et se terminant entre le bord attaque et le bord de fuite, et une forme plane au moins dans la partie placée avant le bord de fuite; ladite surface supérieure du profil ayant une forme plane entre le bord d'attaque et le bord de fuite, la plus grande partie de la portance de la voilure se déplaçant dans un milieu fluide est produite par la pression positive exercée sur la surface arrière du profil par ce milieu Dans une forme de réalisation du profil conforme à lçinvention, la forme plane de la surface arrière sétend en continu à partir de lVex.tremite de la forme convexe vers le bord de fuite du profil, tandis que dans une autre forme de réalisation, cette forme plane se termine entre le bord attaque et le bord de fuite, et a généralement une forme concave entre l'extrémité de la forme plane et le bord de fuite du profil, En outre, dans leune cu autre forme de réalisation, la ligne de courbure du bord de fuite du profil peut seeloigner de la surface supérieure en formant un angle avec la ligne de courbure moyenne du profil0 La configuration décrite cimdessus du profil de voilure présentait les avantages suivants : a) en créant une surface supérieure relativement 11plate11 du profil, le rôle de cette surface prend beaucoup moins d7impbrtance que celui de la surface arrière en ce qui concerne la possibilité de création de portance.Ceci permet de réduire la presence de toute "accélération de rotation" du milieu fluide au-dessus de la surface supérieure0 b) la "déflexion descendante?? est réduite à un minimum car la surface supérieure plate et l'accélération de rotation de l'écoulement de fluide au-dessus de la surface supérieure sont réduites En outre, pour attirer l'écoulement de fluide incident sur la surface arrière du bord d'attaque, opposée à la surface supérieure, cette surface arrière a une forme convexe commençant au bord attaque, entraînant non seulement une chute de pression localisée pour attirer lVecoulement de fluide incident, mais également réduisant la traînée de pression au bord d'attaque0 Ces effets créent une pression de fluide sur la surface arrière du profil sur et å arrière de la corde moyenne à lsendroit où la surface arrière a une forme plane conformément à ltinvention, produisant un accroissement de la portance0 c) la plus grande partie des forces de sustentation engendrées étant au centre et à l'arrière de la surface arrière du profil, la force de portance résultante se trouve à 12 arrière du centre de gravité du profil, assurant ainsi la stabilité Stil se produit une portance excessive, le moment résultant agit de manière à replacer le profil dans un état dvéquilibreO Vautres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue en coupe transversale dgun profil de voilure classique, tel qu'utilisé dans une hélice de véhicules aériens ou marins; la figure 2 est une représentation graphique de -la répartition de la pression autour de la voilure représentée sur la figure 1, lorsque celle-ci pivote dans un milieu fluide autour d'un moyeu dvhélice; la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une pale d'hélice construite conformément à leinvention;; la figure 4 est une représentation graphique de la répartition de la pression autour de la pale représentée sur la figure 3, lorsque celle-ci pivote dans un milieu fluide autour doun moyeu dvhélice, la figure 5 est une vue en coupe transversale agrandie dpun profil construit conformément à l'invention, similaire aux profils utilisés dans la pale d'hélice de la figure 3, représentant une surface arrière modifiée au bord de fuite, ainsi que la répartition graphique de la pression autour du profil lorsque celui-ci se déplace dans un milieu fluide;; et la figure 6 est une vue en coupe transversale dvune forme modifiée du profil représenté sur la figure 5, ayant une coupe concave à lavant de son bord de fuite0 Les figures 1 à 4 concernent l'utilisation du profil dans une hélice dpun véhicule marin, bien que les principes suivants puissent seappliquer à un profil utilisé pour les hélices dtun avion, ou les ailes d'un avion, les profils des vaisseaux à surface portante hydrodynamique, ou pour les pales dgun rotor des étages de compresseur dgun moteur à turbine à gaz, La figure 1 représente une pale dthélice marine classique, placée selon un angle de pas P par rapport à la direction de rotation de la pale, mesure à partir de la ligne de pas de la pale, qui coricide avec la corde formée par la surface arrière 10 de la pale0 Il est bien entendu que les vecteurs indiqués concernent la vitesse de la pale Spss dans la direction de rotation de lhélice, la vitesse du vaisseau Vv > soustendant un angle ss, et lvhypoténuse Vr pour la vitesse relative de lBeauO Angle a indique angle d'incidence de la pale0 La figure 2 représente la surface en coupe de la pression décroissante de même étendue que la surface supérieure convexe 14 de la pale représentée sur la figure lo Approximativement des deux tiers de la portance totale de la pale proviennent de cette pression négative, et il seensuit des caractéristiques défectueuses, telles que des cavitations et des turbulences inhérentes à la configuration classique de la pale0 La figure 3 représente un profil de pale conforme a invention dans lequel la corde indiquée relie le bord de fuite 18 au bord d'attaque 20 de la pale0 La ligne de pas coïncide avec la partie plate 24 de la forme plane de la surface arrière de la pale à arrière de la partie convexe. 26, qui commence au bord d'attaque 20 et se termine selon une ligne longitudinale représentée par la référence 2to La forme convexe 26 seetend 8 arrière du bord attaque sur une longueur d'appro- ximativement un tiers de la corde, et, bien que la longueur de cette partie 26 puisse légèrement varier, il est préférable de maintenir une partie plane 24 relativement longue, pour réduire la turbulence et les tourbillons du bord de fuite0 Dans ce mode de réalisation, la partie 24 s'étend de façon continue à l'arrière de la surface arrière de la pale à partir de l'extrémité 28 de la partie convexe 26 vers le bord de fuite 18 de la pale. Le rayon de courbure de la partie convexe 26 peut varier pour des applications d'hélice particulières, principalement en fonction de l'épaisseur du profil de pale, La surface supérieure de la pale est relativement plane entre le bord d'attaque 20 et le bord de fuite 1S, et présente une partie plate 30 et une partie légèrement convexe 32 à l'arrière du bord d' attaque 20 sur la surface supérieure0 La partie convexe 32 de la surface supérieure est reliée à la partie convexe 26 de la surface arrière par un bord d'attaque arrondi 20. Il est bien entendu que la surface supérieure du profil peut etre plane de façon continue, sans partie convexe telle que 32, et dans l'une ou l'autre éventualité, cette partie 32 s'étend uniquement à arrière du bord attaque 20, sur une longueur doapproximativement un sixième de la longueur de la corde entre le bord d'attaque et le bord de fuite de la pale, La figure 4 représente la surface relativement petite de la pression décroissante sur la surface supérieure de la pale, et la surface relativement grande de la pression crois sante de même étendue que les parties convexe et plane 26 et 24 sur la surface arrière de la pale, La plus grande partie de la poussée étant obtenue par cette pression croissante, c'est-à dire une pression positive, les cavitations et les turbulences dues à la pression négative sont réduites, Les parties plates 24 et 30 sur la surface arrière et supérieure de la pale stétendent respectivement vers le bord de fuite 18 et convergent de manière que les pressions négative et positive redeviennent statiques de manière uniforme à partir du bord de fuite 1S, réduisant ainsi les turbulences et les tourbillons du bord de fuite0 Pour aider à ltétablissement de cette pression statique, la surface supérieure et la surface arrière de la pale se rejoignent au bord de fuite 1S, comme il apparaît sur les configurations représentées sur les figures 3 et 4. La figure 5 représente un profil de voilure conforme à l'invention d'une forme similaire à celle représentée sur les figures 3 et 4, mais dans lequel le rayon de courbure de la partie convexe 26 de la surface arrière est considérablement plus grand. Ce profil peut s'appliquer aux hélices des véhicules aériens et marins, aux ailes d'avions, aux profils des vaisseaux à surface portante hydrodynamique et aux pales de rotor des étages de compression des moteurs à turbine à gaz. Le profil de voilure représenté sur la figure 5 comporte sur sa surface arrière une partie convexe 26 à l'arrière du bord d'attaque 20, et se terminant en 28 à approximativement le tiers de la longueur de la corde à arrière du bord d'attaque, la surface arrière prenant alors la forme plane 24 vers le bord de fuite 1to Cette forme 24 s'étend dans une direction qui converge avec la surface supérieure sur approximativement une demi- longueur de la corde, en une position 34, où elle prendalors une forme concave, puis une autre forme plane 36 parallèle à la surface supérieureO Cette forme plane 36 occupe approximativement un sixième de la longueur de la corde0 La surface supérieure du profil peut être légèrement convexe, comme représenté en 32, à l'arrière de la surface supérieure, derrière le bord d'attaque 20, sur une distance d'approximativement un sixième de la longueur de la corde, puis prenant à nouveau la forme plane 30 de façon continue jusqu'au bord de fuite îa Dans cette configuration, la plus grande partie de la poussée est obtenue par la pression croissante, c'est-à- dire la pression positive sur la surface arrière du profil, et, étant donné la dfflférence entrelerayon de courbure de la partie convexe 26 de la surface arrière du profil e t celui représenté sur la figure 3, la surface de la pression croissante est decalée vers l'arrière du profil, en une position à l'arrière du centre de gravité, assurant ainsi une meilleurestabilité du profil, Ce parallélisme entre la surface supérieure et la surface arrière sur une distance d'approximativement un sixième de la longueur de la corde à l'avant du bord de fuite 1S, permet aux pressions négative et positive de redevenir des pressions statiques de manière uniforme à partir du bord de fuite 18 du profil Une autre forme du profil conforme à l'invention est représentée sur la figure 6, où la ligne de courbure du bord de fuite sur la surface supérieure et la surface arrière est déviée selon un angle par rapport à la ligne de courbure moyenne du profil, Dans ce mode de réalisation, il est préférable que la partie convexe 26 de la surface arrière s'étende derrière le bord d'attaque sur approximativement un tiers de la longueur de la corde, où elle prend alors la forme plane 24 sur une distance égale à la moitié de la longueur de la corde0 Cette partie 24 se termine dans la position indiquée par la référence 3S, et la surface supérieure prend alors une configuration concave vers le bord de fuite îa De façon similaire, la forme plane de la surface supérieure se termine en une position à l'avant du bord de fuite 18 du profil, et est recourbée pour correspondre à la courbure de la surface arrière de la pale 4insi, la surface supérieure du profil prend une forme convexe 42 concentrique à la forme concave 40 de la surface arrière, la ligne de courbure du bord de fuite du profil sur les surfaces supérieure et arrière étant déviée de la surface supérieure selon un angle par rapport à la ligne de courbure moyenne du profil.Des proportions données ci-dessus, il apparaît que la déviation de la ligne de courbure se fait à l'avant du bord de fuite 18 sur une distance d'approximativement un sixième de la longueur de la corde, et le fait que la forme convexe 42 de la surface supérieure et la forme concave 40 de la surface arrière soeert concentriques permet aux pressions négative et positive de redevenir statiques de manière uniforme à partir du bord de fuite 18 du profil. Dans cette forme de réalisation de l'invention, une grande surface de pression positive croissante est produite sur la surface de coupe, et, étant donné les déviations de la ligne de courbure, le centre de cette pression se déplace vers l'arrière du centre de gravité de la section par rapport à la surface de pression indiquée dans le mode de réalisation de la figure 5. Naturellement, la variation du taux de courbure adjacente au bord de fuite 18 fait varier la position et la surface de la pression croissante sur la surface de la section; le taux de croissance de la courbure déplaçant généralement le centre de pression positive à l'arrière du centre de gravité, assure une stabilité plus grande. Il va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. REVE IC AT IONS I Profil de voilure comportant un bord d'attaque et un bord de fuite9 une surface supérieure et une surface arrière, caractérise en ce que la surface arrière du profil a une forme convexe commePçant au bord d'attaque et se terminant entre le bord d'attaque et le bord de fuite, cette surface prenant alors une forme plane seétentant au moins au-dessus d'une partie de la surface arrière, la surface supérieure du profil ayant une forme relativement plane entre le bord d'attaque et le bord de fuite, la majeure partie de la portance du profil se déplaçant dans un milieu fluide étant produite par une pression positive exercée sur la surface arrière du profil par ce milieu 2o Profil de voilure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme plane de la surface supérieure et de la surface arrière s'étend jusqu'au bord de fuite du profil, cette surface supérieure et cette surface arrière convergent l'une vers l'autre au bord de Suite, de manière à obtenir une configuration à coins croisés Profil de voilure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme plane de la surface supérieure s'étend jusqutau bord de fuite du profil, le bord plan de la surface arrière se trouvant arrière l'extrémité de la forme convexe, à l'avant du bord de fuite dans un plan convergent vers la surface supérieure, la surface arrière prenant alors une autre forme plane parallèle à la surface supérieure au bord de fuite0 4.Profil de voilure selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface arrière prend une forme concave intermédiaire entre les formes planes de la surface arrière qui convergent vers la surface supérieure, et sont parallèles à celles-ciO Profil de voilure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de courbure du bord de fuite sur la surface supérieure et la surface arrière est déviée de la surface supérieure, selon un angle par rapport à la ligne de courbure moyenne du profil. 6. Profil de voilure selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface arrière a une forme convexe sur approxi mativement un tiers de la longueur de la corde entre le bord dtattaque et le bord de fuite, et en ce que la déviation de la ligne de courbure se fait à lavant du bord de fuite, sur approximativement un sixième de la longueur de la corde, 7. Profil de voilure selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface arrière a une forme convexe sur approximativement un tiers de la longueur de la corde entre le bord d'attaque et le bord de fuite, et en ce que la surface supérieure du profil a une forme convexe depuis le bord d'attaque sur approximativement un sixième de la longueur de la corde. Profil de voilure selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface arrière a une forme convexe sur approxi mativement un tiers de la longueur de la corde entre le bord d'attaque et le bord de fuite, la forme plane s'étendant sur approximativement la moitié de la longueur de la corde après la forme convexe, et sur approximativement un sixième de la longueur de la corde parallèlement à la surface supérieure. 9. Profil de voilure selon la revendication t; caractérisé en ce que sa surface supérieure a une forme convexe s'étendant depuis le bord d'attaque sur approximativement un sixième de la longueur de la corde. 100 Profil de voilure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme plane de la surface supérieure et de la surface arrière se terminent en une position à l'avant du bord de fuite, et en ce que la surface supérieure et la surface arrière sont recourbées à l'arrière de la position vers le bord de faite, pour prendre une forme convexe à la surface supérieure et une forme concave concentrique à celle-ci sur la surface arrière, la ligne de courbure du bord de fuite à la surface supérieure et à la surface arrière étant déviée de la surface supérieure selon un angle par rapport à la ligne de courbure moyenne du profil. 11. Profil de voilure selon la revendication 10, caractérisé en ce que la déviation de la ligne de courbure se fait à l'avant du bord de fuite, sur approximativement un sixième de la longueur de la corde entre le bord d'attaque et le bord de fuite. 12. Profil de voilure selon la revendication 11, caractérise en ce que la surface arrière a une forme convexe sur approximativement un tiers de la longueur de la corde entre le bord d'attaque et le bord de fuite, et en ce que la forme plane s'étend sur approximativement la moitié de la longueur de la corde après la fin de la forme convexe. 13. Profil de voilure selon la revendication 12, caractérisé en ce que la surface supérieure du profil a une forme convexe à partir du bord d'attaque sur approximativement un sixième de la longueur de la corde.