Brevet FR2555125A1 — publié le 19850524

La présente invention est relative aux hélices dont le pas doit être adapté aux conditions momentanées de fonctionnement, notamment mais non exclusivement, à celles utlisées en aviation ou dans des éoliennes. Le problème de la régulation de la force de propulsion d'une héli- ce animée par un moteur, par exemple en aviation, en fonction des différents régimes de ce moteur dans les phases classiques de fonctionnement, ou celui de la régulation de la vitesse de rotation d'une hélice d'éolien- ne en fonction de la force du vent, ne sont pas nouveaux et de nombreux dispositifs d'adaptation automatique du pas de l'hélice, y compris pour les éoliennes jusqu'à la mise en drapeau des pales, ont été proposés. Ils font en général appel à des timoneries compliquées donc chères et sources d'incidents de fonctionnement trop fréquents et sources de danger. Ainsi, sont connues des éoliennes dans lesquelles les pales peuvent se déplacer axialement par rapport à l'arbre moteur et sous l'action du vent, mais à l'encontre d'organes élastiques. Ce mouvement axial est trans- formé en rotation autour de l'axe des pales pour en varier le pas par des intermédiaires mécaniques assez complexes. La transformation est obtenue, par exemple dans le brevet US Z 547 636, par des bras solidaires des pieds de pale et coopérant avec des tringles, dans le brevet US 2 666 149 par des câbles enroulés autour des pieds de pales, dans le brevet US 2 629 450 par un système à pignons et crémaillères, dans le brevet DE 805 388 par la mise en action d'une tringle sollicitée par un ressort. Dans le brevet US 2 319 592, un bras solidaire du pied de pale présente des trous oblongs coopérant avec des doigts. Beaucoup plus récemment, dans la demande de brevet FR 2 422 835, a été décrit un dispositif de régulation automatique de la vitesse d'une éolienne par modification du pas à l'encontre de l'action d'un organe é- lastique. Chaque pale est montée coulissante axialement par rapport à l'ar- bre moteur contre l'organe élastique et le mouvement de translation est transformé en pivotement par l'intermédiaire d'un bras dont une extrémité est solidaire du pied de pale et dont l'autre présente un trou oblong dans lequel un doigt, monté coulissant, est fixé sur un organe solidaire en ro- tation de l'arbre moteur. La nécessité d'organes intermédiaires et moyens de guidage tels que patins à aiguilles, fait que le dispositif proposé reste malgré tout fort complexe donc délicat. La présente invention vise à s'affranchir d'une telle complexité - 2 - et de telles limitations, en proposant un dispositif de régulation auto- matique du pas d'une hélice, simplifié et pouvant être mis en oeuvre tant pour la propulsion, commie en aviation, que pour la transformation de l'énergie d'un fluide en écoulement comme dans le cas d'une éolienne. Les caractéristiques reprises dans les revendications, avantages et autres aspects de l'invention, apparaîtront dans la description qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se référera au dessin dont la figure unique représente en coupe partielle par un plan normal à l'arbre moteur et passant par l'axe d'une pale d'hélice, un mode d'exécution de l'invention. Bien que cette utilisation ne soit pas exclusive, l'invention va être exposée en faisant plus particulièrement-référence à un rotor pour l'aviation avantageusement utilisable dans le domaine des ultra-légers motorisés et moto-planeurs. Le rotor, partiellement représenté à la figure unique, est du type tripale, ce qui n'est pas déterminant pour l'invention, celle-ci pouvant être mise en oeuvre sans difficulté particulière avec un nombre quelconque de pales, notamment deux. Un boîtier de carter 1, constitué de deux demi-coquilles ou mono- bloc, est rendu solidaire d'un arbre moteur référencé par son axe 0, par des boulons 10. Il peut être exécuté en alliage léger ou en matériau plastique injecté. Les demi-coquilles sont assemblées au moyen de boulons 12. Dans le bottier 1 et coaxialement à chaque pale 14 est immobilisé, de façon connue, un manchon de guidage 13 en alliage léger ou matériau plas- tique approprié. Monté coulissant et libre en rotation, dans ce manchon de guidage 13 se trouve un pied de pale 2, lui-même également en alliage léger ou matériau plastique. Ce pied de pale 2 est solidarisé de la pale proprement dite 14, par exemple, comme représenté, au moyen de boulons 15, mais il pourrait tout aussi bien être collé ou riveté sur cette pale 14 qui est avantageusement réalisée en bois contrecollé et moulé. Il est éga- lement possible d'envisager une réalisation monobloc de la pale 14 et de son pied 2. Du côté de l'axe 0 de l'arbre moteur et dans un logement ménagé dans le pied de pale 2, et rendu solidaire de celui-ci, se trouve un écrou 4 à pas rapide, pour les raisons exposées plus loin. Cet écrou 4 est en prise avec une vis 3 de même axe et immobilisée de façon connue dans le boîtier 1. Dans le cas présent d'un rotor tripale, le positionnement et l'immobilisation se font automatiquement du fait de la géométrie particu- 2555 1Z. -3- libère. La vis 3 est prolorngée axialement dans le pied de pale 2 par une tiqe 6 autour de laquelle s'enroule un ressort hélicoîdal de rappel 7, arrêté en bout de tige 6, par exemple au moyen d'une rondelle 8 et d'une goupille 9, ou de toute autre manière (écrou par exemple). L'autre extré- mité du ressort 7 s'appuie sur un siège que présente le fond du pied de pale 2. Le ressort 7 a pour fonction de solliciter le pied de pale 2 en direction de l'arbre moteur O, c'est-à-dire, comme on le verra plus loin, vers la position de la pale 14 en drapeau. Coulissant autour du pied de pale 2 et dans le boîtier 1, est dis- posée une bague à épaulement 11 en alliage léger ou matériau plastique qui sert au centrage d'un organe élastique ou ressort 5 métallique ou en matériau plastique s'appuyant par son autre surface d'extrémité contre le manchon de guidage 13. La bague à épaulement 11 sert en outre de butée de fin de course lorsque, comme on le verra plus loin, le pied de pâle 2 - atteint son éloignement extrême de l'axe moteur O et que le ressort 5 atteint, lui, sa déformation maximale. Avantageusement, la butée 11 et l'organe élastique 5 seront de forme générale annulaire entourant le pied de pale 2. On voit que, lorsque le moteur est au repos, le ressort hélicoïdal de rappel 7 maintient le pied de pale 2 dans sa position extrême du côté de l'axe du moteur O. Le moteur étant mis en marche et son régime augmen- tant, la force centrifuge va avec une intensité croissante solliciter vers l'extérieur la pale 14 avec son pied 2 à l'encontre de la force de rappel du ressort 7. Cette sollicitation induit un déplacement axial centrifuge qui, par le système vis 3, écrou 4 à pas rapide, contraint la pale 14 et son pied 2 à tourner autour de leur axe, donc modifie le pas de la pale 14, ce, jusqu'à ce que le pied de pale 2 vienne en butée contre la bague à épaulement ou butée 11. A ce moment, la force antagoniste du ressort 5 vient avec une intensité croissante s'opposer à ce déplacement de la butée 11, jusqu'à ce que le ressort 5 atteigne sa déformation maximale. Le dé- placement de la butée 11, donc du pied de pale 2, est donc limité et con- trôlé par l'organe élastique 5. Le moteur baissant de régime jusqu'à l'ar- rêt, le mouvement inverse se produit jusqu'au retour à la position extrê- me de repos. Les pales 14 ayant leurs caractéristiques angulaires et aérodyna- miques propres, il est intéressant de faire correspondre la position ex- trême de repos à la position en drapeau de la pale 14, ob la pale 14 est dans le lit du vent, ce qui correspond à un pas quasi-infini et o la -4- traînée de l'hélice sera minimale. Le régime du moteur croissant, on pas- sera progressivement de cette position vers des positions intermédiaires o le pas de l'hélice ira décroissant jusqu'à une position de pas optimal correspondant à la vitesse de croisière et à un rendement maximal de 1' hélice, lorsque la bague 11 commencera à solliciter le ressort 5. Lorsqu' un régime supérieur est nécessaire pour le moteur, par exemple en montée, le ressort 5 s'écrasant jusqu'à sa déformation maximale, on passera ainsi à une position extrême de pas minimal, dite de "petit pas" pour les pales. Si on veut faire voler l'avion en planeur, il suffira d'arrêter le moteur, ce qui mettre automatiquement l'hélice en drapeau avec une traînée minima- le. De la description du mode de réalisation de l'invention qui précè- de, on voit, ce qui n'était pas possible jusqu'alors, que peuvent facile- ment être mises en oeuvre au moins deux fonctions: le pas variable auto- matique en fonction de la vitesse de rotation du moteur, ce qui donne un rendement optimal et la mise en drapeau automatique, moteur arrêté. Une troisième fonction est en outre possible: la mise au "petit pas" à régi- me maximal du moteur. Ces aspects rendent particulièrement avantageuse l'utilisation de l'invention dans le domaine de l'aviation légère et ul- tra-légère. Pour d'autres utilisations, par exemple dans le domaine nau- tique, on pourra ne rechercher, le cas échéant, qu'une seule fonction. Le fonctionnement automatique apporte sécurité et simplicité d'utilisa- tion. La technologie très simple permet un prix de revient très bas, une quasi-absence de nécessité d'entretien, un montage etun démontage très rapide et un déréglage pratiquement impossible, chaque hélice étant pré- réglée en fonction du moteur et du réducteur que l'utilisateur possède déjà sur son avion. Dans l'exemple décrit ci-dessus, l'écrou 4 est solidaire du pied de pale 2 et la vis 3 de l'arbre moteur. Il est clair que l'on peut, en restant dans le cadre de l'invention, avoir une vis solidaire du pied de pale 2 et un écrou 3 solidaire de l'arbre moteur 0 pour assurer les mêmes fonctions que précédemment. Ce qui vient d'être dit en référence à une utilisation dans le do- maine de l'aviation peut être, sans modification significative, transpo- sé à une éolienne o c'est l'action du vent sur l'hélice qui entraîne l'arbre moteur. Dans ce cas, l'hélice sera réglée pour avoir son pas le plus faible à l'arrêt, afin de bénéficier au mieux des vents très faibles en s'y opposant au mieux. La vitesse de rotation augmentant avec la force - 5 - du vent, la force centrifuge à l'encontre du ressort hélicoïdal 7 va induire une augmentation d'incidence de l'hélice, ce qui aura pour effet de modérer et régulariser la vitesse de rotation. Pour un vent- violent, le mouvement se prolongera jusqu'à la mise en drapeau de l'hélice, donc l'hélice présentant son profil dans le lit du vent, ce qui correspond au pas quasi-infini, limitant ainsi la vitesse de rotation de l'hélice et assurant donc la sécurité dès qu'un certain seuil sera atteint. Il va de soi que d'autres applications de l'invention sont envi- sageables pour tout autre rotor à hélice, notamment dans les domaines nautique et de la ventilation. -6- REVENDICATIONS 1 - Dispositif de régulation automatique du pas d'une hélice de rotor dans lequel la force centrifuge agit sur chaque pale (14) à l'en- contre de- l'action prédéterminée d'au moins un. organe élastique (7), pour déterminer l'incidence de cette pale (14), celle-ci pouvant se déplacer axialement dans un logement (13) de pied de pale (2) sous l'action de la force centrifuge et/ou de l'organe élastique (7), des moyens (3,4) indui- sant à partir de ce déplacement axial, un déplacement en rotation de la pale (14) autour de son axe, caractérisé par le fait que ces moyens (3, 4) comprennent une vis (3) et un écrou (4) en prise, coaxiaux à la pale (14) , et dont l'un (3 ou 4) est solidaire du pied-de la pale (2) et l'autre (4 ou 3) solidaire de l'arbre du rotor (0). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le pied de pâle (2) est mobile axialement et en rotation dans un manchon (13) solidaire d'un bottier (1) lié à l'arbre du rotor (0). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, carac- térisé par le fait que l'organe élastique (7) est un ressort hélicoïdal guidé par une tige (6) solidaire de la vis (3) et s'appuyant à une extré- mité sur une pièce (8) solidaire de cette tige (6), et à l'autre extrémité sur une partie solidaire du pied de pale (2). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac- térisé par le fait que le déplacement axial du pied de pale (2) est limité par une butée (11). - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la butée (11) est mobile et qu'un second organe élastique (5) est interpo- sé entre cette butée (11) et une pièce (13) solidaire du bottier (1), ce qui permet un déplacement contrôlé et limité de cette butée (11). 6 - Dispositif selon la revendication 4 ou la revendication 5, carac- térisé par le fait que la butée (11) et le second organe élastique(5) sont de forme générale annulaire et entourent le pied de pale (2). 7 - Utilisation en aviation d'un rotor à hélice muni d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que les pales (14) de l'hélice et le dispositif de régulation sont conçus de façon à assurer automatiquement une position de mise en drapeau, soit de pas quasi-infini, lorsque le moteur est à l'arrêt, une phase intermé- diaire de pas décroissant jusqu'à un pas optimal quand le régime du moteur augmente jusqu'au régime de croisière et une phase à petit pas ou pas mi- 2555 25 -7- nimal à haut rIgirie moteur. - Utilisation dans une éolienne d'un rotor à hélice muni d'un dis- positif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le rait que les pales (14) de l'helice et le dispositif sont conçus de façon à assurer automatiquement une phase de pas croissant et optimal pour des vitesses de vent croissantes, jusqu'à une position de mise en drapeau, soit de pas quasi-infini, pour une vitesse de vent atteignant ou dépassant un seuil de sécurité.