Brevet FR2479132A1 — publié le 19811002

-1- La présente invention se rapporte aux voilures tournantes d'aéronef et, plus particulièrement, concerne une pale à hautes performances pour rotor d'hélicoptère. On sait qu'une pale de rotor d'hélicoptère fonctionne essentiellement selon deux positions au cours de son trajet circulaire. Ii est considéré,en effet, une position avançante o la pale venant de l'arrière de l'appareil décrit vers l'avant un arc de cercle de 180 degrés et une position reculante o la pale continuant son mouvement vient retrouver après une rotation complète de 360 degrés son emplacement initial de départ. On sait également que les phénomènes aérodynamiques rencontrés au cours du fonctionnement diffèrent selon la position de la pale. Ainsi, la pale avançante est soumise-à son extrémité à des effets de compressibilité de l'air qui provoquent, par exemple, pour une certaine combinaison de la vitesse d'avancement de l'appareil avec la vitesse de rotation du rotor, une augmentation rapide de la traînée, tandis que la pale reculante est, du fait de son calage aérodynamique élevé, sujette au décrochage. Pour remédier à ces inconvénients et augmenter le domaine d'utilisation des hélicoptères, il est connu, par exemple, de réduire l'épaisseur relative maximale du profil d'extrémité et de choisir pour l'ensemble des pales du rotor, un vrillage et un réglage du pas, tendant à diminuer le calage aérodynamique de la partie active de la pale reculante. -2- Une autre solution, laquelle peut être combinée avec les solutions précédentes, est de définir une famille de profils particulièrement bien adaptés pour d'une part, permettre l'obtention en bout de pale d'un Mach de divergence de traînée, Md, le plus grand possible, et d'autre part, assurer pour la pale reculante, une répartition de pression évitant l'apparition prématurée de la perte de portance. Dans la demande de brevet français N079 20454 du 10 août 1979, la Demanderesse a décrit un profil de pale pour voilure tournante d'aéronef, capable de très hautes performances à la fois en vol stationnaire, en vol à grande vitesse et en évolutions. La géométrie de ce profil, marquée notamment par la présence d'un-'rayon de bord d'attaque particulier, d'un point de courbure minimale à l'intrados, et d'une manière générale par une évolution inédite de la cour- bure autour dudit profil, confère notamment à ce der- nier une valeur remarquable pour le Mach de divergence de traînée,ainsi qu'une grande finesse. De plus, grace à l'application de lois géométriques simples de transformation, ledit profil permet de défi- nir, selon l'envergure de la pale et notamment dans la zone d'extrémité, d'autres profils susceptibles de répondre aux exigences des divers types de fonctionne- ment aérodynamique. Cependant, ces définitions isolées de profils ne peuvent prendre en considération tous les effets aérodynamiques provenant-des interactions d'une part, entre les diffé- rents profils le long de l'envergure, d'autre part, entre les pales durant leur rotation. -3- En effet, la conception d'un profil, considéré comme indéformable lors de son étude, diffère notablement de la conception d'une pale déformable, évoluant dans des écoulements tourbillonnaires. L'objet de la présente invention est donc de définir une pale pour rotor d'hélicoptère capable de très hautes performances en position avançante comme en position reculante. Cette pale, définie par l'évolution et l'adaptation le O long de son envergure des profils aérodynamiques cités précédemment et, plus précisément, par l'évolution du vrillage et de l'épaisseur relative maximale desdits profils, permet notamment d'obtenir de remarquables per- formances à grande vitesse sous forte charge. Outre le compromis optimal réalisé pour le fonctionnement relatif des profils le long de la surface active de la pale, la zone d'emplanture située près du rotor permet d'obtenir un effet bénéfique sur la traînée, ainsi que sur les efforts mécaniques agissant au niveau du dispo- sitif d'attache de la pale au moyeu du rotor. Dans ce but, selon l'invention, une pale à hautes perfor- mances pour rotor d'hélicoptère, comprenant un profil d'extrémité disposé perpendiculairement au bord d'attaque de la pale et un profil d'emplanture placé entre ledit profil d'extrémité et les attaches de la pale au moyeu du rotor, ledit profil d'extrémité et ledit profil d'em- planture délimitant selon la majeure partie de l'enver- gure de la pale, une surface aérodynamique engendrée par des profils de corde essentiellement constante et présentant notamment chacun, d'une part, un rayon de courbure maximale Ro au bord d'attaque défini approxi- mativement par l'expression Ro = 1,7 C. e max' dans -4- laquelle C représente la corde et emax l'épaisseur rela- tive maximale du profil considéré, d'autre part, un point de courbure minimale positionné à l'intrados à une distance du bord d'attaque environ égale à 20 % de la longueur de la corde dudit profil considéré, lesdits profils de ladite surface aérodynamique ayant par ailleurs à partir du profil d'extrémité et vers le profil d'emplanture, un vrillage aérodynamique augmen- tant linéairement et sensiblement jusqu'à la section de pale o est défini ledit profil d'emplanture, ledit vrillage étant ensuite inversé pour devenir nul aux attaches de la pale, est caractérisée en ce que l'angle de vrillage formé par la corde de portance nulle d'un profil de ladite surface aérodynamique et un plan de référence passant par le milieu des attaches de la pale au moyeu du rotor est pour le profil d'extrémité au plus égale.à 0,3 degré. Ainsi, grâce notamment à cette limite supérieure de vrillage entre les deux parties extrêmes de la pale et l'utilisation conjointe d'un vrillage linéaire crois- sant entre le profil d'extrémité et le profil d'emplan- ture, l'invention permet de définir pour une famille de profils, une pale à très haut rendement propulsif et porteur. De préférence, la différence entre l'angle de vrillage du profil d'emplanture et l'angle de vrillage du profil d'extrémité est au moins égale à 6 et au plus égale à 80, la distance séparant ledit profil d'extrémité dudit profil d'emplanture étant au moins égale à 70 % de la longueur de la pale. Par ailleurs, pour optimiser la portance de la pale sans augmentation excessive de la traînée, il est -5- avantageux que l'épaisseur relative maximale du profil d'emplanture soit au moins égale à 9 % et au plus égale à 13 % de la longueur de la corde dudit profil d'emplanture, et que ladite épaisseur relative maximale soit conservée constante, vers le profil d'extrémité, sur une distance au moins égale à 52 % de la longueur de l'envergure de la pale. De même, pour optimiser la traînée, notamment vers l'extrémité de la pale, en assurant une portance satis- lO faisante et une excellente tenue structurale, il est avantageux, d'une part, que l'épaisseur relative maxi- male du profil d'extrémité soit au moins égale à 6 % et au plus égale à 9 % de la longueur de la corde du profil d'extrémité, d'autre part, que sur une distance au plus égale à 30 % de la longueur de l'envergure de la pale, l'épaisseur relative maximale des profils de la surface aérodynamique croisse linéairement depuis ledit profil d'extrémité, o l'épaisseur relative maximale est minimale, jusqu'à la section de pale o l'épaisseur relative maximale devient constante et maximale. Selon une forme préférentielle de réalisation, une pale à hautes performances pour rotor d'hélicoptère, com- prenant un profil d'extrémité disposé perpendiculaire- ment au bord d'attaque de la pale et un profil d'em- planture placé entre ledit profil d'extrémité et ledit profil d'emplanture délimitant selon la majeure partie de l'envergure de la pale, une surface aérodynamique engendrée par des profils de corde essentiellement constante et présentant notamment chacun, d'une part, un rayon de courbure maximale Ro au bord d'attaque défini approximativement par l'expression Ro = 1,7 C. e2, dans laquelle C représente la corde et mmaxai -6- d'autre part, un point de courbure minimalepositionné à l'intrados à une distance du bord d'attaque environ égale à 20 % de la longueur de la corde dudit profil considéré, lesdits profils de ladite surface aérodyna- mique ayant'par ailleurs à partir du profil d'extrémité et vers le profil d'emplanture, un vrillage aérodyna- mique augmentant linéairement et sensiblement jusqu'à la section de pale o est défini ledit profil d'emplan- ture, ledit vrillage étant ensuite inversé pour devenir io nul aux attaches de la pale, est caractérisée en ce que l'angle de vrillage formé par la corde de portance nulle d'un profil de ladite surface aérodynamique et un plan de référence passant par le milieu des attaches de la pale au moyeu du rotor est pour le profil d'extrémité approximativement égal à 0,2 degré, ledit profil d'extré- mité ayant de plus, d'une part, une épaisseur relati- vement maximale environ égale à 7 % de la longueur de sa corde, d'autre part, une différence de vrillage par rapport au profil d-'emplanture environ égale à 70, la distance séparant ledit profil d'extrémité dudit profil d'emplanture étant par ailleurs environ égale à 80 % de la longueur de l'envergure de la pale, et en ce que l'épaisseur relative maximale du profil d'emplanture est environ égale à 12 % de la longueur de sa corde, ladite épaisseur relative étant considérée constante - sur une distance environ égale à 57 % de la longueur de la pale pour décroître ensuite linéairement vers le profil d'extrémité. Ainsi, toute voilure tournante d'aéronef comportant au moins deux pales et caractérisée en ce qu'au moins une partie de chacune desdites pales est définie par des profils aérodynamiques présentant les évolutions d'an- gle de vrillage et d'épaisseur relative maximale telles que spécifiées précédemment, permet de réaliser dans les -7- principaux domaines de vol, et notamment pour le vol d'avancement rapide, de remarquables performances. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure l représente une vue simplifiée en perspective d'une pale selon l'invention. La figure 2 montre, selon la flèche F de la figure 1, une vue schématique de l'attache de la pale au moyeu du rotor. La figure 3 définit le calage aérodynamique d'un profil de la pale selon l'invention. La figure 4 montre une vue en plan simplifiée de la pale selon l'invention. La figure 5 indique, par rapport à un axe de référence OY, l'évolution en envergure de l'angle de vrillage aérodynamique des profils de la pale selon l'invention. La figure 6 indique, par rapport à un axe de référence OZ, l'évolution en envergure de l'épaisseur relative maximale des profils de la pale selon l'invention. Comme montré par la figure 1, une pale selon l'invention est fixée au moyeu du rotor 2 d'un hélicoptère, par l'intermédiaire d'un dispositif d'attache 3. Dans un but de simplification de l'exposé, le rotor et son moyeu, lesquels ne font pas partie de l'objet de l'in- vention, sont seulement représentés schématiquement par l'axe du rotor 4 et par des éléments d'attache -8- supérieure 5 et inférieure 6 du moyeu. La paledont la corde est essentiellement constante selon la majeure partie de la longueur de son envergure L, comporte-entre son profil d'extrémité 7 et son profil d'emplanture 8, une surface aérodynamique 9 limitée vers l'avant par une ligne de bord d'attaque 10 et vers l'arrière, par une ligne de bord de fuite 11. Le profil d'extrémité 7, situé à une distance R de l'axe de rotor 4, c'est-à-dire sur le rayon extérieur R du disque rotor 12, est de préférence placé perpendiculaire- ment au bord d'attaque de la pale 10, tandis que le profil d'emplanture 8, placé entre ledit profil d'extrémité et les attaches de la pale 3 au moyeu du rotor 2, est situé à une distance L1 dudit profil d'extrémité. A partir du profil d'extrémité et jusqu'au profil d'emplanture, la surface aérodynamique 9 est engendrée par des profils présentant notamment, comme l'indique la figure 3, un rayon de courbure maximale Ro au bord d'attaque et un point de courbure minimale à l'intrados f, positionné à une distance du bord d'attaque environ égale à 20 % de la longueur de la corde C. Conformément aux définitions mathématiques données dans la demande de brevet français N079 20454 de la Demande- resse, lesquelles déterminent complètement le contour d'un profil, le rayon Ro est défini approximativement par l'expression Ro = 1,7 C. e max dans laquelle C représente la corde et emax l'épaisseur relative maxi- male du profil considéré dans l'intervalle d'enver- gure L1. Le fonctionnement aérodynamique de la pale dépend notam- ment du calage en incidence ou vrillage des profils le long de son envergure. Les figures 2 et 3 montrent comment est défini le calage aérodynamique d'un profil de la surface 9 par rapport à un plan de référence P passant par le milieu des attaches 3 de la pale au moyeu du rotor. L'incidence aérodynamique d'un profil peut être en effet définie par un angle o compris entre la code de portance nulle Co du profil considéré et le plan P de référence cité précédemment. Pour permettre aux profils de la surface aérodynamique 9 d'engendrer des répartitions de pression stables à tous les régimes de vol en évitant, notamment, dans la zone de bord d'attaque de l'extrémité de la pale l'apparition de pics de survitesse élevés à front raide, l'angle de vril- lage aérodynamique augmente linéairement à partir du profil d'extrémité 7 et vers le profil d'emplanture 8. De plus, dans le but d'optimiser pour lesdits profils cette évolution de l'angle de vrillage, la différence entre l'angle de vrillage - 2 du profil d'emplanture et l'angle de vrillage O1 du profil d'extrémité est au moins égale à 6 et au plus égale à 80, pour une distance L1 sépa- rant ces deux profils, au moins égale à 70 % de la lon- gueur L de la pale, comprise comme l'indique, par exemple la figure 4,entre le profil 7 et les attaches 3. Comme indiqué figure 5, l'angle de vrillage aérodyna- mique en envergure, laquelle est repérée par rapport à un axe de référence OY placé au niveau du profil d'extré- mité et perpendiculaire au plan de référence P, croît linéairement depuis la valeur 01 jusqu'à la valeur 02 du profil d'emplanture, pour ensuite être inversé et devenir nul aux attaches 3 de la pale. -10- Cette inversion de l'angle de vrillage dans une zone d'emplanture de longueur égale à la différence entre d'une part, la longueur de la pale et d'autre part, la- longueur L de la surface aérodynamique délimitée par les profilés d'extrémité et d'emplanture, permet notamment, grâce au calage aérodynamique.avantageux du profil d'extrémité 7 par rapport aux attaches 3, lequel est au plus égal à 0,3 degré, l'obtention d'effets bénéfiques sur l'aérodynamisme et les solli- citations mécaniques rencontrés dans cette zone. Par exemple, l'inversion du vrillage favorise la dimi- nution de la traînée de-la pale dans la zone d'emplan- ture, et principalement lorsque la pale est en posi- tion avançante. De plus, lors de l'utilisation dans le moyeu rotor d'une butée sphérique (non représentée) travaillant par déformation de matériaux élastiques et destinée, notamment, à assurer la variation de pas, l'inversion du vrillage permet un fonctionnement quasi- symétrique de la butée autour de sa position de repos, c'est-à-dire au niveau du plan P, ce qui assure une durée de vie accrue pour l'ensemble du rotor. L'évolution de l'épaisseur relative maximale des profils, le long de l'envergure de la surface aérodynamique, joue également un rôle essentiel sur les caractéristiques aérodynamiques de la pale. Par exemple, en vol de manoeuvre, la distribution des épaisseurs doit permettre l'obtention-d'un coefficient de portance élevé sans pour autant produire, en vol d'avancement rapide, un coefficient de traînée important. De plus, en vol stationnaire, il est nécessaire d'avoir une grande finesse pour réaliser un haut rendement de sustentation. -11- Comme montré par les figures 3 et 6, l'évolution 'de l'épaisseur relative maximale, emax, des profils dans l'intervalle L1 séparant le profil d'extrémité du profil d'emplanture, est repérée à l'aide d'un axe de référence OZ placé, à titre d'exemple, au niveau du profil d'ex- trémité. La figure 6 montre, plus précisément, que sur une dis- tance L2 l'épaisseur relative maximale est constante du profil d'emplanture vers le profil d'extrémité, en étant au moins égale à une valeur e2 ou au plus égale à une valeur e1. Pour permettre en effet aux profils situés dans l'inter- valle L2 de créer, en combinaison avec le vrillage aérodynamique, des écoulements susceptibles d'engendrer des répartitions de pression déterminant, notamment, une grande portance et une haute finesse, l'épaisseur relative maximale du profil d'emplanture est avantageu- sement au moins égale à une valeur e2 de 9 %, et au plus égale à une valeur e de 13 % de la longueur de sa corde, ces valeurs étant conservées constantes sur au moins 52 % de la longueur de l'envergure L de la pale, c'est-à-dire dans tout l'intervalle L2. Par ailleurs, dans le but d'augmenter progressivement vers le profil d'extrémité la valeur du Mach de diver- gence de traînée, ainsi que la finesse des profils, l'épaisseur relative maximale dudit profil d'extrémité est au moins égale à une valeur e4 de 6 % et au plus égale à une valeur e de 9 % de la longueur de sa corde. Comme le montre la figure 6, les valeurs e4 et e3 augmentent linéairement sur une longueur d'envergure L3, jusqu'à la section de pale S o l'épaisseur rela- tîve maximale devient égale à l'une des valeurs e2 ou el, c'est-à-dire jusqu'au moment o l'épaisseur relative maximale des profils devient constante et -12- maximale. Avantageusement, la distance L3 est prise au plus égale à 30 % de la longueur de l'envergure L, de la pale. Selon une forme préférentielle de réalisation, l'utili- sation conjointe d'une part, de profils présentant notamment un rayon Ro de bord d'attaque et un point de courbure minimale à l'intrados tels que spécifiés précédemment, d'autre part, d'une loi de vrillage et d'une distribution d'épaisseurs relatives maximales particulières pour ces profils, permet d'obtenir une optimisation géométrique de la pale, notamment pour le vol à grande vitesse sous forte charge. Selon cette forme préférentielle, l'angle de vrillage formé par la corde de portance nulle du profil d'extré- mité avec-le plan de référence passant par le milieu des attaches de la pale au moyeu du rotor, est appro- ximativement égal à-0,2 degré, ledit profil d'extrémité ayant de plus, d'une part, une épaisseur relative maximale environ égale à 7 % de la longueur de -sa corde, d'autre part, une différence de vrillage par rapport au profil d'emplanture environ égale à 70, la distance séparant ledit profil d'extrémité dudit profil d'emplan- ture étant par ailleurs environ égale à 80 % de la longueur de l'envergure L, de la pale. De plus, dans cette réalisation préférentielle, l'épais- seur relative maximale du profil d'emplanture est prise égale à 12 % de la longueur de sa corde, ladite épais- seur étant conservée constante sur une distance environ égale à 57 % de la longueur L de la pale, pour décroître ensuite linéairement vers le profil d'extrémité. Des essais comparatifs effectués pour un appareil équipé -13- d'une part, de pales présentant essentiellement les caractéristiques de l'invention, d'autre part, d'un rotor classique utilisant pour ses pales les profils NACA 0012, ont révélé de remarquables résultats. Par exemple, la comparaison des efficacités sustentatri- ces montre que la pale, objet de l'invention, permet à iso-puissance un accroissement de 5 à 8 % de la charge utile de l'hélicoptère. De plus, il a été constaté un gain important sur la consommation kilométrique en croisième économique, ainsi qu'une finesse accrue et un excellent niveau vibratoire. Ces résultats traduisent une excellente adaptation des profils le long de l'envergure de la pale, notamment de l'évolution du vrillage et des épaisseurs relatives maximales desdits profils, permettant à l'invention de trouver des applications dans tous les types de voilure tournante d'aéronef, par exemple, d'hélicoptères. -14- R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Pale à hautes performances pour rotor d'hélicoptère, comprenant un profil d'extrémité disposé perpendiculaire- ment au bord d'attaque de la pale et un profil d'emplan- ture placé entre ledit profil d'extrémité et les attaches de la pale au moyeu du rotor, ledit profil d'extrémité et ledit profil d'emplanture délimitant, selon la majeure partie de l'envergure de la pale, une surface aérodynamique engendrée par des profils de corde essentiellement constante et présentant notamment chacun, d'une part, un rayon de courbure maximale Ro au bord d'attaque défini approximativement par l'expres- sion Ro = 1,7 C. e2 max dans laquelle C représente la max ma corde et emax l'épaisseur relative maximale du profil considéré, d'autre part, un point de courbure minimale positionné à-l'intrados à une distance du bord d'attaque environ égale à 20 % de la longueur de la corde dudit profil considéré, lesdits profils de ladite surface aérodynamique ayant par ailleurs à partir du profil d'extrémité et vers le profil d'emplanture, un vrillage aérodynamique augmentant linéairement et sensiblement jusqu'à la section de pale o est défini ledit profil d'emplanture, ledit vrillage étant ensuite inversé pour devenir nul aux attaches de la pale, caractérisée en ce que l'angle de vrillage formé par la corde de portance nulle d'un profil de ladite surface aérodyna- mique et un plan de référence passant par le milieu des attaches de la pale au moyeu du rotor-est pour le profil d'extrémité au plus égal à 0,3 degré. 2.- Pale selon la revendicationi, caractérise-en ce que la différence entre l'angle de vrillage du profil d'em- planture et l'angle de vrillage du profil d'extrémité est au moins égale à 6 et au plus égale à 80, -15- la distance séparant ledit profil d'extrémité dudit profil d'emplanture étant au moins égale à 70 % de la longueur de la pale. 3.- Pale selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'épaisseur relative maximale du profil d'em- planture est au moins égale à 9 % et au plus égale à 13 % de la longueur de la-corde dudit profil d'em- planture, et en ce que ladite épaisseur relative maximale est conservée constante, vers le profil d'ex- trémité, sur une distance au moins égale à 52 % de la longueur de l'envergure de la pale. 4.- Pale selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisée en ce que l'épaisseur relative maximale du profil d'extrémité est au moins égale à 6 % et au plus égale à 9 % de la longueur de la corde dudit profil d'extrémité. 5.- Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que sur une distance au plus égale à 30 % de la longuer de l'envergure de la pale, l'épaisseur relative maximale des profils de la surface aérdynamique croît linéairement depuis le profil d'extré- mité, o l'épaisseur relative maximale est minimale, jusqu'à la section de la pale o l'épaisseur relative maximale devient constante et maximale. 6.- Pale à hautes performances pour rotor d'hélicoptère comprenant un profil d'extrémité disposé perpendiculaire- ment au bord d'attaque de la pale et un profil d'emplan- ture placé entre ledit profil d'extrémité et les atta- ches de la pale au moyeu du rotor, ledit profil d'ex- trémité et ledit profil d'emplanture délimitant selon la majeure partie de l'envergure de la pale, une surface aérodynamique engendrée par des profils de corde essen- -16- tiellement constante et présentant notamment chacun, d'une part, un rayon de courbure maximale Ro au bord d'attaque défini approximativement par l'expression Ro = 1,7 C e2 dans laquelle C représente la corde et emax l'épaisseur relative maximale du profil consi- déré, d'autre part, un point de courbure minimaleposition- né à l'intrados à une distance du bord d'attaque environ égale à 20 % de la longueur de la corde dudit profil considéré, lesdits profils de ladite surface aérodynamique ayant par ailleurs à partir du profil 1o d'extrémité et vers le profil d'emplanture, un vrillage aérodynamique augmentant linéairement et sensiblement jusqu'à la section de pale o est défini ledit profil d'emplanture, ledit vriliage étant ensuite inversé pour devenir nul aux attaches de la pale, caractérisée en ce que l'angle de vrillage formé par la corde de portance nulle d'un profil de ladite surface aérodyna- mique et un plan de référence passant par le milieu des attaches de la pale au moyeu du rotor est pour le profil d'extrémité approximativement égal à 0,2 degré ledit profil d'extrémité ayant de plus, d'une part, une épaisseur relative maximale environ égale à 7 % de la longueur de sa corde, d'autre part, une diffé- rence de vrillage par rapport au profil d'emplanture environ égale à 70, la distance séparant ledit profil d'extrémité dudit profil d'emplanture étant par ailleurs environ égale à 80 % de la longueur de l'envergure de la pale, et en ce que l'épaisseur relative maximale du profil d'emplanture est environ égale à 12 % de la longueur de sa corde, ladite épaisseur relative étant conservée constante sur une distance environ égale à 57 % de la longueur de la pale pour décroître ensuite linéairement vers le profil d'extrémité. 7.- Voilure tournante d'aéronef comportant au moins deux pales, caractérisée en ce qu'au moins une partie de -17- chacune desdites pales est définie par des profils aérodynamiques, présentant les évolutions d'angle de vrillage et d'épaisseur relative maximale telles que spécifiées sous l'une des revendications 1 à 5 ou sous la revendication 6.