Brevet FR2572471A1 — publié le 19860502

Cette invention a pour objet une pale creuse et en particulier une pale creuse eayant la forme d'une pale de soufflante, d'une pale d'hélice ou équivalente. D'une façon usuelle, les pales telles que les pales pour moteurs à turbine à gaz à soufflante carénée, les pales d'hélice pour moteurs à pistons et les pales pour moteurs à turbine à gaz à turbopropulseur ont une structure pleine. Cela présente des avantages quant à la tenue des pales et à leur coût mais n'est pas comptatible avec une réduction de poids et les améliorations y afférentes concernant la fiabilité du fonctionnement. Les recherches portent sur la réduction de poids ont révélé l'intérêt que présentent les pale creuses. Un intérêt particulier a été manifesté i o pour les pales de soufflante creuses et les pales d'hélice transsonique utilisées respectivement dans les moteurs à turbine à gaz comportant des soufflantes carénées et non-carénées. Cependant si les pales creuses permettent de réaliser un gain de poids avantageux elles posent aussi des problèmes de tenue. Dans le ces de la rupture d'un pale creuse provoquée, par exemple, par l'impact d'un oiseau ou de tout autre objet étranger, il existe un grand risque que la pale se détache, soit totalement soit partiellement, de se structure de support et cause des dommages aux structures qui l'entourent. La pale a la forme d'une pale pour moteur à turbine à gaz à soufflante carénée. Les parties de pale qui se détachent peuvent être arrêtées par le carénage qui entoure la soufflante. Cependant pour être efficace le carénage doit être suffisamment solide et est par conséquent généralement plus lourd qu'il ne l'aurait été s'il n'avait pas à assurer cette fonction de protection. En outre le carénage ne serait pas en'mesure de protéger le moteur lut- même au ces o une partie de pale le traverserait. Avec les hélices et les pales de soufflante pour moteurs à turbine à gaz non-carénée la situation est beaucoup plus grave dans la mesure o ces moteurs ne comportent pas de structure enveloppante susceptible d'assurer une fonction de protection. L'objet de la présente invention est une pale creuse dont la tenue soit améliorée et qui, par conséquent, soit moins dangereuse pour la structure enveloppante en cas de rupture structurelle. Selon la présente invention une pale de rotor de section creuse comporte une embase pour la fixation à un moyeu rotatif et une tête à son autre extrémité, ladite 2 2572471 pale comportant au moins un élément de support interne s'étendant entre ladite tête et ladite embase et étant fixé à chacune d'elles, ledit élément de support étant disposé de façon à être passif dans les conditions normales de foctionnement de ladite pale mais à être suffisamment résistant pour retenir ladite tête ou toute autre partie de la pale au cas o une rupture structurelle de ladite pale se produisait entre ladite tête et ladite embase. Une description de l'invention va suivre, illustrée d'exemples, avec référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue, comportant un arraché, d'une pale d'hélice pour avion 1 0 salon la présente invention; La figure 2 est une vue agrandie, comportant un arraché, de l'embase de la pale d'hélice représenté sur la figure 1; La figure 3 est une vue agrandie, comportant un arraché, de le tête de la pale d'hélice représentée sur la figure 1; 1 5 Le figure 4 est une vue d'une hélice transsonique pour un moteur à turbine à gaz non-carénée comportant une pluralité de pales d'hélice transsonique selon la présente invention; La figure 5 est une vue agrandie, comportant un arraché, de l'hélice transsonique représentée sur la figure 5, montrant la construction interne de l'une des pales de l'hélice transsonique; La figure 6 est une vue en coupe transversale d'une partie d'un dispositif d'encrage situé à l'intérieur de la pale d'hélice transsonique représentée sur la figure 5 pour l'élément de support monté à l'intérieur de le pale de l'hélice transsonique; La figure 7 est une vue, comportant un arraché, d'une gaine pour l'élément de support monté à l'intérieur de la pale d'hélice transsonique représenté sur la figure ; La figure 8 est une vue d'une pale pour un moteur à turbines à gaz comportant une pluralité de pales de soufflante selon la présente invention; et La figure 9 est une vue, comportant un arraché, de l'une des pales de la soufflante représentée sur la figure 8. Sur la figure 1 on voit qu'une pale d'hélices d'avion 1 0 comporte un embase 1 1 pour la fixation à un moyeu rotatif adéquat (non-réprésenté) et une tête 12 située à l'extrémité opposée à l'embase 1 1. Comme on peut le voir sur la figure 1 la pale d'hélices 10 est creuse et comprend une enveloppe extérieure -de métal 13 qui en délimite la forme extérieure et une pluralité de nervures de support qul relient les deux faces de la pale 10. Les nervures de support 14, que l'on peut voir plus aisément sur la figure 2, définissent une pluralité de cavités 15 de section triangulaire et une cavité unique 16 de section trapézoïdale qui s'étendent entre l'embase 1 1 et la tête i 2 de la pale 10. La cavité 16 de section trapézoïdale contient un élément de support 17 qui s'étend entre l'embase 1 1 et la tête 12. L'élément de support 17 consiste en un 1 0 câble de fibres d'aramide qui sont disponibles sous la marque déposée "Kelvar" de Du Pont. Comme on peut le voir sur la figure 3, les fibres 17 sont disposées en éventail dans la tête 12 de la pale et sont coulées dans un matériau 18 formant matrice qui peut être par exemple un polymer thermo-durcissable tel qu'une résine époxy. Le matériau 18 formant matrice sert à ancrer les fibres 17 dans la i 5 tête 12 de la pale. Dans l'embase 1 1 de la pale les fibres 17 sont disposées en éventail de façon similaire et sont coulées dans un matériau 19 formant matrice similaire à celui qui est utilisé dans la tête 12 de la pale. De la sorte les fibres 17 sont ancrées solidement dans l'embase 1 1 et la tête 12 de la pale 10 d'hélice mais, pour le reste, sont libres à l'intérieur de la pale. Des précautions sont prises durant l'insertion des fibres 17 à l'intérieur de la pale 10 d'hélice de façon que dans les conditions normales de fonctionnement de la pale 10 d'hélice les fibres 17 restent entièrement passives c'est-à-dire qu'elles ne soient pas sous tension et qu'elles ne jouent aucun rôle, ni de renfort, ni de support vis-à-vis de la pale d'hélice 10. De la sorte, si une partie quelconque de la pale 10 de l'hélice située entre l'embase 11 et la tête 12 souffre d'une rupture structurelle, par exemple à la suite de l'impact d'un objet étranger, la tête 12 de même que l'une quelconque des parties de la pale 10 qui lui est assujettie sont maintenues par les fibres 17. Ainsi la pale d'hélices 10 n'éjectera pas la tête 12 ni aucune des parties de la pale 10 qui lui sont assujetties et les dommages encourus 3 0 par la structure enveloppante seront limités. Naturellement, pour que les fibres 17 soient capables de retenir a18 tête 12 et une quelconque des parties de la pale d'hélice 10 elles doivent être d'une force appropriée. Par conséquent, le nombre des fibres de "Kevlar" du câble 17 est choisi de sorte qu'elles ne rompent pas dans le cas de la charge maximale qu'elle pourrait avoir à supporter. Le nombre de fibres du câble 17 n'a cependant pas besoin d'être très élevé dans la meure o la "Kevlar" a une très grande résistance. La présente invention ne concerne pas spécifiquemment les pales d'hélice et peut être utilisée dans le cs d'autres types de pale creuses telles que les pales d'hélice transsonique et les pales de soufflante. La figure 4 représente une hélice transsonique 20 pour un moteur à turbine à gaz non-carénée(non-repréenté). L' hélice transsonique 20 comprend un moyeu central 21, mu par un moteur à turbine à gaz, duquel rayonne une pluralité de pales 22 d'hélice transsonique identiques selon l'invention. Chaque pale 22 d'hélice transsonique, l'une d'entre elles est représentée sur la figure 7_, présente une constitution similaire à celle de la pale 10 d'hélice décrite plus haut en ce qu'elle comporte une embase 23 pour la fixation au moyeu 21, une tête 24 à l'extrémité opposée de l'embase et une section Intermédiaire creuse délimitée par une enveloppe métallique 25 plaquée sur des nervure 26. L'embase 23 et la tête 24 sont reliées par deux câbles 26 et 27 de fibres de "Kevlar". Les cables 26 et 27 sont ancrés dans la tête 24 de la pale de l'hélice transsonique de la façon qui a été décrite plus haut et sont coulés dans une résine 18 formant matrice. Cependant, les câbles 26 et 27 sont ancrés dans l'embase 23 d'une façon différente - comme on peut le constater clairement sur la figure 6.- Les fibres, à l'extrémité de chacun des câbles 26 et 27, sont déployées en éventail selon un cone et sont emprisonnées entre deux parties coniques correspondantes 29 et 30. La partie conique 29 comporte un épaulement annulaire 31 qui coopère avec l'embase 23 de façon à ancrer les câbles 26 et 27 en leur interdisant tout mouvement selon une direction extérieure radiale. Pour prémunir les câbles 26 et 27 contre l'usure résultant d'un contact avec les surfaces intérieures de la pale 22 d'hélice transsonique et également contre les effets de la chaleur si la pale 22 de l'hélice transsonique doit fonctionner dans des régions de température élevée, chacun des câbles 26 et 27 est recouvert d'un mince tube d'acier inoxydable 32 tel que celui qui est représenté sur la figure 7. Comme on peut le constater sur la figure 7, la paroi de chaque tube 32 a une forme annelée de sorte qu'il a l'apparence d'un soufflet allongé. Ceci a pour but de protéger les câbles 26 et 27 contre les forces de cisaillement au cas o l'hélice 25724 71 transsonique 22 serait atteinte par un corps étranger qui pourrait casser quelques fibres d'un câble non-protégé. En outre la forme annelée des fibres 32 garantit qu'il ne se produit pas de choc thermique entre les câbles 26 et 27 et les tubes 32 qui les entourent au cas o des variations de température se produiraient dans la pale 22 de hélice transsonique. Comme dans le ces de la pale 10 d'hélice décrite plus haut, les câbles 26 et 27 sont disposés de façon à être totalement passifs dans les conditons normales de fonctionnement de la pale 22 d' hélice transsonique. Ils ne sont opérationnels qu'au ces o la pale 22 de hélice transsonique souffrirait d'une rupture structurelle. Ils servent alors à retenir la tête 24 et toute partie de la pale 22 qui lui reste assujettie. La figure 8 représente une soufflante 33 pour un moteur à turbine à gaz (non-représenté). Comme l'hélice transsonique 20 décrite plus haut, la soufflante 33 comporte un moyeu central 34 duquel rayonne une pluralité de pales 35 de soufflante Identiques. Le figure 9 représente une pale 35 de soufflante. Elle comporte une embase 36 à section en queue d'aronde destinée à être engagée dans une fente correspondante pratiquée dans le moyeu 34 et une tête 37 à l'extrémité opposée. La section 38 de pale située entre l'embase 36 et la tête 37 est creuse et est délimitée par une enveloppe métallique 39 plaquée sur des rainures 40. L'embase 36 et la tête 37 sont reliées par cinq câbles 41, 42, 43,44 et 45 composés de fibres de "Kevlar", chacun d'entre eux étant entouré d'une gaine 46 d'acier inoxidable Identique à la gaine 32 utilisée dans la pale 22 d'hélice transsonique décrite plus haut et étant encré dans une matrice de résine dans l'embase 36 et la tête 37 de la pale. Comme dans le cas des pales 10 d'hélice et des pales 22 d'hélice transsonique décrits plus haut, les câbles 41 à 45 composés de fibres de "Kevlar" sont complètement passifs durant les conditions normales de fonctionnement de la pale de soufflante 35. Ils ne sont opérationnels que comme moyen rétenteur dans le ces o la pale 35 de soufflante souffrirait d'une rupture fonctionnelle. La pale 35 de soufflante diffère de la pale 10 d'hélice et de la pale 22 d' hélice transsonique en ce que, en période de fonctionnement, elle est entourée ainsi que les autres pales 35 de la soufflante 33 d'un carénage annulaire (nonreprésenté). Dans ces conditions les problèmes qui naissent de la rupture fonctionnelle d'une pale 35 de soufflante, bien que- graves, ne sont pas aussi sévères que ceux qui pourraient se poser avec une pale 10 d'hélice ou une pale 22 d'hélice transsonique qui ne sont pas entourées par un carénage. En conséquence il peut être souhaitable de disposer les câbles 41 à 45 de façon que dans le ces d'une rupture structurelle d'une pale 35 de soufflante ils retiennent la tête 37 de pale et toute partie de pale de soufflante assujettie à celle-ci dans un premier temps mais ensuite lachent progressivement d'une façon contrôlée. De la sorte, la pale 35 de soufflante endommagée entrerait progressivement en contact avec le carénage qui l'entoure. Il en résulterait un frottement entre la tête 37 de pale de soufflante et le carénage, ce qui provoquerait une dissipation graduelle de l'énergie libérée par la pale 33 de soufflante endommagée. Cela présente certains avantages par rapport à une pale de soufflante qui ne produirait pas une telle libération lente. Entre autres avantages on peut citer: a) le fait que la pale de soufflante libérée n'entre pas en contact avec une seconde pale de soufflante et ne cause pas se rupture; b) le fait que la pale de soufflante libérée ne s'échappe par l'avant ou par l'arrière de la zone de confinement défini par le carénage; c) une réduction de poids résultant de l'utilisation' d'une quantité moindre de fibres de "Kevlar", d) la possibilité de monter des accessoires de moteur sur les plans des pales de soufflantes; e) l'utilisation d'un carénage plus léger que celui qu'il faudrait utiliser avec un moteur à turbine à gaz à soufflante carénée de type conventionnel. Bien que la description de la présente invention ait été faite en référence avec des pales creuses équipées d'éléments de support faits de fibres de "Keviar" on pourra apprécier que d'autres matériaux tels que des fils métalliques peuvent être utilisables. De plus, des moyens autres que la gaine 32 peuvent être utilisés pour protéger les câbles. On peut par exemple protéger les câbles des effets de la chaleur en les entourant d'un matériau alvéolaire de faible densité approprié ou en les réfrigérant au moyen d'une pompe à air centrifuge. Pour délimiter le profil des pales 10 d'hélice, des pales 22 d'hélice transsonique et les pales 35 de soufflante on utilise de préférence le titane par ce qu'il est très plastiquement déformable et qu'on peut l'agglomérer par diffusion jusqu'à obtenir Va forme nécessaire. Cependant l'invention n'est pas limitée spécifiquement à des pale creuses faites de ce matériau puisque l'on envisage que d'autres matériaux puissent être utilisés pour fabriquer des pale creuses. REVENDICATIONS 1. Pale de rotor de section creuse comportant une embase pour être fixée à un mreu rotatif et une tête à l'extrémité opposée, ladite pale comportant au moins un élément de support intérieur s'étendant entre la tête et l'embase et étant ancré en elles, caractérisée en ce que ledit élément de support ( 17) est disposé de façon à être passif dans les conditions normales de fonctionnement de ladite pale ( 10)et a une force suffisante pour retenir ladite tête ( 12)et toute partie de ladite pale (10) assujettie à elle au cas o ladite pale ( 10)souffrirait d'une rupture structurelle entre ladite tête (12) et ladite embase ( 1). i 0 2. Pale de rotor de section creuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de support( 17) est recouvert d'une enveloppe protectrice. 3. Pale de rotor de section creuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément de support ( 17) est recouvert par un tube (32) métallique de faible épaisseur, a18 paroi dudit tube étant annelée. 1 6 4. Pale de rotor de section creuse selon l'une des revendicetions précédentes, caractérisée en ce que ledit élément de support (17) est ancré dans au moins une desdites embase ( 1 1) et tête (12) par emprisonnement dans un matériau formant matrice, emprisonné lui-même à l'intérieur de ladite embase (1 1) et/ou de ladite tête ( 12). 5. Pale de rotor de section creuse selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit matériau forment matrice est une résine époxy. 6. Pale de rotor de section creuse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément de support (17) est ancré dans au moins l'une desdites embase( 1 1) et tête ( 12)par engagement par friction entre des surfaces adjacentes correspondantes appartenant aux moyens d'ancrage (29, 30) fixés à ladite embase ( 1 1) et/ou ladite tête (12). 7. Pale de rotor de section- creuse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément de support (17) est disposé de façon qu'il ait une force telle que, au cas o ladite pale (10)souffrirait d'une rupture 3 0 structurelle entre ladite tête (12) et ladite embase 1 1, ladite tête (12) ou une quelconque des parties de la pale ( 10) lui étant assujettie serait retenue dans un premier temps par ledit élément de support (17) et par la suite libérée de ladite 9 2572471 embase (1 1) d'une manière contr6ôlée. 8. Pale de rotor de section creuse selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément de support (17) consiste en un câble de fibres. 9. Pale de rotor de section creuse selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdites fibres ( 17) sont faites d'aramide. 10. Pale de rotor de section creuse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite pale ( 1 O) a la forme d'une pale de rotor d'avion. 11. Pale de rotor de section creuse selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledite pale ( 10) a la forme d'une pale d'hélice transsonique pour un moteur à turbine à gaz. 12. Pale de rotor de section creuse selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite pale ( 10) a la forme d'une pale de soufflante pour un moteur à turbine à gaz à soufflante carénée. 13. Pale de rotor de section creuse selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que ladite pale ( 1 O) est au moins partiellement formée de titane très plastiquement déformé et agrégé par diffusion.