Brevet FR2223698A1 — publié le 19741025

On connaît plusieurs types d'indicateurs de direction d'un courant fluide, le tpe le plus classique étant la girouette dont la pale encastrée sur un bras support tourne autour d'un axe perpendiculaire au courant fluide d'un angle égal à la déviation angulaire du courant fluide quand le couple résistant appliqué à cet axe est nul. Lorsque le couple résistant n'est pas nul, la pale de la girouette reste décalée par rapport à la nouvelle direction du courant fluide d?un angle d'erreur correspondant à une incidence résiduelle d'où résulte un couple moteur équilibrant le couple résistant. Plus ce dernier est élevé, plus l'angle d'erreur augmente, ce qui peut conduire par un écart impor tan entre la position de la pale de la girouette et la direction du courant fluide. à llme baisse inadmissible de sensibilité du Le cas d'une girouette travaillant avec couple résistant se rencontre en particulier dans les dispositifs de pilotage automatique de voiliers ou d'avions, où la girouette mesure la direction du vent relatif et est couplée à une gouverne afin de corriger la route du voilier ou de l'avion sollicité par le vent selon une direction variable. La gouverne commandée exerce un couple résistant sur la girouette qui donne naissance à un angle d'erreur de la position de la pale de celle-ci par rapport à la direction du vent relatif; la qualité du pilotage automatique s'en trouve perturbée. On peut réduire l'angle d'erreur de la pale de la girouette en accroissant sa surface ou la longueur de son bras support pivotant autour de l'axe de sortie, mais au prix d'un effort de freinage inadmissible sur un avion ou d'un encombrement gênant sur un voilier. On peut aussi réduire cet angle en imposant à la pale des déviations angulaires moindres que celles de son bras support. A une même incidence résiduelle motrice de la pale correspond alors un plus grand débattement du bras fournissant, pour un même encombrement, un travail moteur accru capable de vaincre un couple résistant supérieur. Un tel moyen, employé par Etévé en 1909 pour stabiliser e billa tiright, fut utilisé par Constantin en 1927 et par T , ol en 19)4. La pale n'est plus encastrée sur son bras support mais articulée, son orierXtation étant contrôlée par une bielle oblique. Aux débattements moyens, tout se passe comme ai le bras avait été allongé, et ie travail disponible est multiplié par le rapport des courses de la pale, variant comme le rapport des longueurs du bras fictif et du bras réel. Un autre moyen, imaginé par M. Gianoli et breveté par la s e a inc iner I axe ae pivocemeni d'une girouette rigide classique, avec les mêmes résultats de débattement accru de la pale de la girouette, d'allongement fictif du bras et de multi plication du travail disponible, ces accroissements étant d'au tant plus marqués que l'angle que fait l'axe de sortie de la girouette avec le plan horizontal est plus petit. Dans chacune de ces deux solutions, le rapport des longueurs du bras fictif et du bras réel ne peut guère en prati que dépasser 10, valeur pour laquelle une variation angulaire de 4" par exemple du vent relatif braque de 400 l'axe de sortie de la girouette. Au delà de ce taux de multiplication, les mouve ments de dé battement de la pale détectrice prennent une ampleur excessive et le gain de couple diminue sensiblement pour les très grands angles de débattement du bras. Ces deux modes d'accroissement apparent de la longueur du bras support de la pale détectrice souffrent d'un même défaut provenant également du débattement excessif, que ne présente pas une girouette classique, et qui se manifeste lorsque la direction moyenne du courant fluide varie d'une manière importante, ce qui est le cas par exemple lors d'un changement de route sur un voilier. En effet, avec une girouette classique commandant par exemple une gouverne de voilier, il suffit d'intercaler un cla botage entre la sortie de la girouette et la gouverne, enclenché seulement pendant les périodes de pilotage automatique du bateau. Pour changer de route, on ouvre le clabotage, on manoeuvre à la main la gouverne au nouveau cap et, la girouette ayant suivi exactement le vent relatif, on enclenche à nouveau le clabotage. Cela n'est plus possible avec les girouettes modifiées à grand débattement car, pendant les changements de route, la pale détec trice irait en butée et y resterait bloquée après réenclenche ment. I1 devient alors nécessaire d'installer l'ensemble détec teur de vent sur une tourelle réorientée face au vent après venue à un nouveau cap, soit au prix d'une commande supplémentaire. De plus, l'organe de transmission de la direction détectée doit sor tir au travers de 1? articulation de la tourelle sans gêner celle ci, ce qui entraîne une complication mécanique et une augmenta tion de poids et de prix. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de réduire l'angle d'erreur, c 'est-à-dire d'augmenter le travail disponible d'un détecteur de courant fluide sans qu un montage sur tourelle de réorientation soit nécessaire. A cet effet, un détecteur de direction de courant fluide selon l'invention est réalisé à la manière d'une girouette classique, à cette différence que la pale encastrée d'une telle girouette est remplacée par une pale dont le taux d'accroissement du coefficient de portance en fonction de l'angle d'attaque du courant est amélioré. Une telle pale peut être une pale dite "autoptère", décrite pour la première fois dans le brevet 825.922 du 50 Novembre 1936 au nom de la Demanderesse, c 'est-à-dire une pale articulée sur son support en arrière de son centre de poussée et munie d'un volet de bord de fuite asservi à se braquer dans le même sens que le plan principal et avec un rapport angulaire défini. L'invention a également pour objet l'adaptation d'une pale à taux de variation de portance amélioré, telle une pale autoptère, à un détecteur de direction de courant fluide à grand débattement, c'est-à-dire par exemple à une girouette à bras articulé ou une girouette à axe de sortie incliné. Si un tel détecteur nécessite l'utilisation d'une tourelle de réorientation, cette complication est justifiée par l'avantage qu'offre la présente invention d'une multiplication supplémentaire du travail disponible, ce qui permet d'envisager la commande directe d'une gouverne habituelle d'avion ou de voilier, sans autre assistance, et au moyen d'une pale de surface réduite. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente en perspective une girouette classique. La figure 2 représente une vue de dessus d'une girouette à bras articulé. La figure 5 représente en perspective une girouette à axe incliné. La figure 4 représente en perspective un clabotage d'axe de sortie de girouette. Les figures 5 et 6 représentent en vue de dessus une pale autoptère selon deux formes d'exécution. La figure 7 représente un diagramme illustrant la variation de la portance en fonction de l'angle d'attaque dans le cas d'une pale rigide et d'une pale autoptère. Les figures 8 et 9 représentent une girouette équipée d'une pale autoptère, respectivement en perspective et en vue de dessus. La figure 10 représente en perspective un ensemble d'asservissement d'une gouverne de voilier utilisant un détecteur à pale autoptère à axe incliné. La figure 11 représente une vue de dessus d'une girouette à bras articulé et à pale autoptère. Une girouette simple à pale 1 encastrée sur son bras support 2 pivotant autour d'un axe vertical 5 (figure 1) tournerait d'un angle 1 égal à l'angle de changement de direction du vent qui a tourné de VO à V s'il n'y avait pas de couple résistant R appliqué à l'axe 5. Si ce couple résistant existe, la pale de la girouette ne tourne que d'un angle i, faisant un angle d'erreur i avec la direction V du vent. Sur la figure 2, la pale 1 n'est plus encastrée, mais articulée en 7 sur son bras support 2 pivotant autour de l'axe vertical 3, et l'orientation du plan de la pale 1, dit plan primitif, est contrôlée par une bielle 4 articulée en un point fixe 5 et à un guignol 6 lié à la pale 1. De ce fait, le plan de cette dernière tourne autour d'une droite fixe 0 parallèle à l'axe 5 et en amont de celui-ci selon la direction moyenne VO du vent, et tout se passe comme si son bras avait été allongé jusqu'à la droite 0, prenant une longueur apparente B supérieure à la longueur réelle b. Une variation i de la direction du vent fait tourner le bras 2 d'un angle ss pour lequel la pale 1 fait un angle d'erreur i avec la nouvelle direction V du vent et exerce un couple sur son bras 2 qui équilibre le couple résistant R. Pour un même angle d'erreur i, une pale encastrée 1A aurait tourné d'un angle i inférieur à l'angle 5, le rapport des angles et et C étant voisin, lorsque ceux-ci ne sont pas trop grands, du rapport des longueurs de bras B et b. L'augmentation du débattement de la pale articulée 1 permet donc d'obtenir sur l'axe 3 un travail moteur plus important. On bénéficie d'une augmentation analogue du travail disponible avec la disposition de la figure ), où l'axe de rotation 3 d'une pale encastrée 1, montée de telle manière que son plan (plan primitif) contienne ledit axe, n'est plus vertical, mais incliné d'un angle i petit par rapport à l'horizontale. Les angles de rotation du plan de la pale 1 et de l'axe D sont alors différents, et une rotation d'angle i - i de la pale entraîne une rotation d'angle supérieur fi de l'axe 5, avec sensiblement 6=i-i- Ici encore, on obtient une multiplication de la longueur apparente du bras de la pale 1, et tout se passe comme si elle b tournait encastrée au bout d'un bras de longueur B = sin g autour du point 0. La multiplication par un facteur b du travail disponible obtenue par les dispositions des figures 2 et 5 ne peut guère en pratique dépasser un facteur de 10, pour lequel, par exemple, une déviation du vent de 4" fait tourner, en l'absence de couple résistant, l'axe de sortie d'un angle de 40". Au delà de cette valeur du facteur de multiplication, les mouvements du détecteur deviennent excessifs et réduisent son efficacité, comme on peut le voir par exemple sur la figure 2 où la force F à laquelle est soumise la pale 1 de la part du vent V n'intervient utilement que par sa composante + perpendiculaire au bras 2 + = F cos i ~ F cos donc sensiblement égale à la force F multipliée par le cosinus de l'angle de débattement. La grande amplitude du débattement de l'organe détecteur des figures 2 et 5 ne permet pas d'utiliser un simple clabotage (figure 4) entre ledit organe et la gouverne qu'il commande dans un dispositif d'asservissement pour voilier, alors qu un tel clabotage suffit parfaitement pour les manoeuvres de changement de cap avec une girouette à pale encastrée, en permettant d'isoler l'axe 5 portant le bras 2 de la pale détectrice 1 par dégagement d'un cliquet 8 des dents d'une roue 18 solidaire dudit axe 5, ledit cliquet étant lié en rotation à l'axe de sortie 3 agissant sur la gouverne. Au contraire, un détecteur à grand débattement irait en blutée et ne pourrait être réorienté qu a l'aide d'une tourelle auxiliaire à axe vertical entraînant autour de ce dernier soit le point d'articulation 5 (figure 2), soit l'axe incliné 5 (figure 3). Un détecteur selon l'invention permettant d'accroître le travail disponible sans augmentation du débattement est fondé sur le fait que, conformément à la formule générale donnant le couple Fb fourni par une pale de surface S, de coefficient de portance Cz, faisant un angle i avec un vent de vitesse V et portée par un bras de longueur b Fb = K dCZ i S V2 b, ai ce couple moteur, qui doit équilibrer le couple résistant R, peut être accru non seulement en jouant comme précédemment sur la longueur du bras b, mais aussi sur le gradient de portance aérodynamique dCz di di Or, on connaît une structure de pale, dite pale "autoptère", qui offre un gradient de portance très supérieur à celui d'une pale simple rigide. Une pale autoptère (figures 5, 6) est constituée par une pale principale 10 de profil symétrique, librement mobile autour d'un axe 12 qui la traverse à l'arrière de son centre de poussée fixe P et au bord de fuite de laquelle est articulé un volet 11. Ce volet stabilise la pale principale en étant asservi à se braquer dans le même sens que celle-ci de telle manière qu a un angle i de décalage libre de la pale 10 par rapport au plan primitif où se trouvent initialement ladite pale et son volet corresponde un angle E de braquage du volet 11 par rapport à la pale 10 selon un rapport défini t - . Un tel r. asservissement peut être obtenu de diverses manières, par exemple au moyen d'une bielle 15 articulée à un point fixe 14 et à un guignol 15 du volet 11 (figure 5), ou au moyen d'une coulisse 16 solidaire du volet 11 et guidée par un ergot fixe 17 (figure 6). Lorsqu'une telle pale autoptère est soumise à un vent V dont la direction tourne d'un angle i à partir d'une direction initiale VO, la pale principale 10 tourne d'un angle & tel que l'angle de braquage simultané du volet 11 ramène la force de portance de la pale entière à passer par l'axe d'articulation 12. Les courbes de la figure 7 représentent les variations du coeffi cient de portance Cz, auquel la poussée F est proportionnelle, en fonction de l'angle d'incidence d'une pale rigide 1 et d'une pale autoptère 10, 11. On voit que la portance de la pale autoptère croît beaucoup plus vite que celle d'une pale rigide. En pratique, le gradient de portance dCz peut se trouver décuplé pour une valeur assez faible du rapport d'asservissement t. Le remplacement d'une pale rigide encastrée par une pale autoptère conduit donc à un fort accroissement de poussée F, donc de couple moteur, du fait de l'accroissement de dC7 di Les figures 8 et 9 montrent en conséquence un détecteur équipé d'une pale autoptère dont la pale principale 10 pivote librement autour d'un axe 12 fixé à l'extrémité d'un bras 2 de longueur b, lequel est mont' s r un axe 3, et dont le volet 11 articulé est relié par une bielle 15 à un point 14 du bras 2 proche du point d'attache de l'axe 12. L'axe 12 est situé dans le plan, dit plan primitif, de la pale rigide que remplace la pale autoptère, et le point 14 est fixe par rapport à ce plan. On a représenté en pointillé sur la figure 8 deux positions d'équilibre de la pale autoptère correspondant respectivement à des vents VO et V, sans couple résistant R, où le volet 11 et la pale principale 10 sont coplanaires et coIncident avec le plan primitif d'une pale rigide, et une position en trait continu correspondant à un vent V, à un couple résistant R et à un angle d'erreur i, où la pale principale 10 fait un angle g avec le plan primitif, c'est-à-dire aussi avec le bras 2, et le volet 11 un angle E avec la pale 10 (figure 9). Une telle disposition permet d'accroetre fortement, par exemple de décupler, le couple disponible sur l'axe 3 pour la commande d'une gouverne (non représentée), sans augmenter le débattement ni la surface de la pale détectrice, donc sans qu'il soit besoin de prévoir une tourelle de réorientation pour les changements de cap, un simple clabotage tel que celui de la figure 4 suffisant. La Demanderesse propose en outre d'appliquer la même modification à un détecteur bénéficiant déjà d'un effet d'amplification par allongement apparent du bras support (figures 2 et 5). Au prix de l'obligation d'utiliser une tourelle à réorienter face au vent pendant les périodes de pilotage manuel, il devient en effet possible, en remplaçant la pale rigide de ces montages par une pale autoptère, d'obtenir une énergie qui soit, par rapport à celle de la girouette simple de la figure 1, multipliée par le produit des gains offerts par chacun des moyens combinés, soit par un facteur qui peut être de l'ordre de 100. La figure 10 représente, à titre d'exemple, un agencement de pilotage automatique de voilier utilisant le détecteur à axe incliné de la figure 2 équipé d'une pale autoptère selon la figure 5. L'axe 12 de la pale autoptère 10, 11 est fixé perpendiculairement à un axe 3 incliné d'un angle g sur l'horizonta- le et monté dans des supports de paliers 19, 20 solidaires d'une tourelle orientable 21 autour d'un axe de rotation 52.Le point d'articulation 14 de la bielt43 est solidaire de l'axe 12 et, comme précédemment, cet axe situé dans le plan primitif de la pale rigide remplacée par une pale autoptère, le point 14 étant fixe par rapport à ce plan. Une tringlerie 22, 23, 24, 25, où se trouve interposé un clabotage 26 semblable à celui de la figure 4, transme-t directement les mouvements de débattement de l'axe 12 de la pale autoptère autour de l'axe incliné 3 au safran de gouverne 27. Cette transmission directe est rendue possible, même avec une pale détectrice de faible surface, grâce aux effets de multiplication conjugués de l'axe incliné 5 et de la pale autoptère 10, 11. Une manette 28 reliée à un patin 29 de blocage de la tourelle 21, à un levier 30 coopérant avec un diabolo 31 monté coaxialement sur'la tige 22 de la tringlerie de transmission pour ramener cette dernière en position de référence, et au clabotage 26 permet de réorienter la tourelle 21 pour un changement de cap, sans qu'il soit besoin d'une commande spéciale. En effet, l'axe 12 portant la pale 10 est incliné vers l'aval, de sorte qu'elle se trouve dans le vent en arrière de l'axe 52 de la tourelle. Quand le barreur veut abandonner le pilotage automatique, il lui suffit de manoeuvrer la manette 28 pour libérer la gouverne 27, verrouiller en position de référence la tige 22, ce qui ramène en position verticale le plan des axes 3 et 12, et libérer la tourelle 21; cette dernière s'oriente alors d'ellemême dans le vent sous l'action de la pale autoptère 10, 11. On peut noter que cette dernière peut être munie sur son bord d'attaque d'une masselotte 33 d'amortissement. La figure 11 représente d'une manière simplifiée une autre forme d'exécution d'un détecteur de courant fluide à facteurs de multiplication conjugués. I1 s'agit ici d'une girouette à bras articulé selon la figure 2, dont la pale détectrice rigide est remplacée par une pale autoptère 10, 11 selon la figure 6. Le plan principal 10 de celle-ci est articulé autour de l'axe 12 confondu avec l'axe 7 monté à l'extrémité du bras 2; un levier coudé 54 pivotant autour de l'axe 7 est articulé à la bielle 4 et porte à son autre extrémité l'ergot 17 de guidage de la coulisse 16. L'axe 7 et l'ergot 17 sont contenus dans le plan primitif de la pale rigide remplacée par la pale autoptère, ce plan tournant autour d'une droite verticale 0 comme dans le cas dela figure 2. Un tel montage donne des résultats équivalents à ceux du montage de la figure 10. I1 peut être muni d'une manivelle 55 de réorientation pour les petits changements de cap, ainsi que d'un mécanisme à tourelle semblable à celui de la figure 10. - REVENDICATIONS 1.- Détecteur de direction d'un courant fluide stécou- lant parallèlement à un plan, ce détecteur pouvant être utilisé en particulier dans un appareillage de pilotage automatique,pour avion ou voilier où une gouverne est asservie à la direction du vent relatif, comprenant notamment un organe directeur pivotant autour d'un axe de sortie et des moyens de définition de l'orientation du plan, dit plan primitif, d'une pale rigide habituellement utilisée comme organe directeur, caractérisé par le fait que l'organe directeur est une pale dite "autoptère", c'est-àdire qu'il est composé d'une pale principale à profil symétrique pivotant librement autour d'un axe contenu dans le plan primitif, qui la traverse à l'arrière de son centre poussée et qui est relié mécaniquement.à l'axe de sortie, et d'un volet articulé au bord de fuite de ladite pale principale et asservi angulairement aux mouvements de rotation de cette dernière autour de son axe de pivotement de telle sorte que le volet et la pale principale tournent dans le même sens, l'angle que fait la pale principale avec le plan primitif et l'angle que fait le volet avec la pale principale étant dans un rapport sensiblement constant. 2.- Détecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de définition du plan primitif lui imposent de passer sensiblement par une droite fixe parallèle à l'axe de sortie. 5. - Détecteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la droite par où passe le plan primitif est confondue avec l'axe de sortie. 4.- Détecteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la droite par où passe le plan primitif est distincte de l'axe de sortie et située en amont de celle-ci selon la direction moyenne d'écoulement du fluide. 5.- Détecteur selon la revendication 5 ou la revendication 4, caractérisé par le fait que l'axe de pivotement de la pale principale est sensiblement parallèle à l'axe de sortie auquel il est relié par un bras et que l'axe de sortie est sensiblement perpendiculaire au plan d'écoulement du fluide. 6.- Détecteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'axe de pivotement de la pale principale est sensiblement perpendiculaire à l'axe de sortie auquel il est relié directement et que l'axe de sortie est incliné d'un angle petit sur le plan d'écoulement du fluide.