Brevet FR2589817A1 — publié le 19870515

La présente invention concerne un dispositif d'entraînement des pales d'hélice d'un avion, par exemple dans un turbopropulseur, pour leur conférer un pas de sécu- rité (c'est-A-dire un pas grossier). En l'absence d'un tel dispositif, en cas de défaillance du mécanisme de changement de pas du turbopropulseur, les pales de l'hélice peuvent prendre une position correspondant A un pas fin, provoquant un déséquilibre temporaire du couple entre le turbopropul- seur et le moteur. Pendant ce déséquilibre, le couple du moteur dépasse le couple résistant du turbopropulseur, permettant à ce dernier d'accélérer continuellement jusqu'à ce qu'il y ait endommagement par suite de survitesse. Pour éviter les endommagements, le dispositif de la présente invention oblige les pales du turbopropulseur à prendre une position correspondant à un pas grossier, ce qui a pour effet d'augmenter son couple résistant et par conséquent d'empêcher l'accélération A l'origine d'un emballement. En figure 1, on a représenté l'hélice 3 d'un avion et en figure 2 une vue en bout de l'une des pales 6, la vue étant prise dans le sens de la flèche 2. Lorsque le pas de la pale de la figure 2 passe de la position 9 à la position 12, la traînée de l'hélice 3 augmente, ce qui en rend la rotation plus difficile. La position 12 est souvent appelée position de mise en drapeau complète de l'hélice. - 2 - La figure I représente schématiquement une paire de poids 15 et 18 formant une haltère 19. On a également représenté des poids 15A et 18A après qu'ils aient subi une certaine rotation (les poids sont réellement enfermés à l'intérieur du moyeu 21 de l'hélice, mais sont représentés à l'extérieur de ce moyeu afin de de faciliter l'explication). Les poids sont fixés à la pale 6 de l'hélice et la force centrifuge provoque leur rotation entre les positions 15, 18 représentées en hachures et les positions non hachurées 15A et 18A, d'o le mouvement de rotation de la pale 6 jusqu'à - la position 12 correspondant à une mise en drapeau complète (figure 2). On expliquera, en liaison avec les figures 3-6, l'origine de cette rotation. La figure 3 représente deux positions que l'hal- tère 19 peut occuper. La rotation de l'hélice autour de l'axe 24 en figures 1 et 3 est illustrée par une flèche 27, et l'haltère 19 tourne en même temps que les pales de l'hé- lice. L'haltère 19 tourne également autour d'un second axe , comme représenté en figure 1. Cette dernière rotation provoque le changement du pas des pales de l'hélice. On expliquera maintenant, en liaison avec les figures 4 et 5, la façon avec laquelle la force centrifuge provoque ce changement du pas (c 'est-à-dire la rotation représentée par la flèche 33 en figure 3). (Comme représenté en figure 3, l'haltère 19 se trouve réellement dans une position d'équi- libre instable, n'ayant aucune tendance théorique à tourner. On expliquera mieux ce phénomène quatre paragraphes plus bas). La figure 4 illustre quatre plans géométriques. Les plans 36 et 39 sont parallèles et définis par les cercles 42 et 45 dans lequels tourne le poids 15. Les deux plans 36 et 39 sont représentatifs d'une famille infinie de plans parallèles de cette sorte, décrits par les cercles 42 et 45. Un troisième plan 48 est perpendiculaire aux plans 36 et 39, et contient l'axe 30. Le plan 48 contient également 3 - ]'haltère]19 et est aussi représenté en figure 3, et l'hal- tère 19 en figures 3 et 4 correspond à l'haltère 19 de la figure 1. Un quatrième plan 51 contient l'haltère 19A lors- qu'elle se trouve dans la position après rotation qui est représentée en figures 3 et 4. Un point important à noter est que, en gén6ral, tout vecteur de force centrifuge agit suivant le rayon du cercle (par exemple le cercle 42) que décrit]e poids en rotation 15. Deux vecteurs de ce genre sont représentés par les flèches 54 et 57. Le vecteur de la force centrifuge agissant sur le poids 15, lorsqu'il se trouve dans le plan 51, est repr6sent6 par le vecteur 54. Le vecteur 54 est contenu dans le plan de rotation 39 défini par le cercle 45. Le vecteur 54 est également représenté en figure 5, mais décomposé en ses deux composantes 60 et 63. Le plan 51 après rotation est également repr6senté en figure , comme cela est le cas du plan de rotation 39. La composante 60 est parallèle à l'axe 30, égale- ment repr6senté en figures 3 et 4, et par conséquent ne provoque pas une rotation de l'haltère dans la direction de la flèche 33 en figure 3. Plus pr6cisément, la composante 60 ne contribue en rien à la variation du pas. Cependant, le composante 63 est perpendiculaire au plan 48 en figures 3 et 4, et par conséquent provoque la rotation indiquée par la flèche 33 en figure 3. Par conséquent, cette dernière com- posante 63 provoque une rotation de l'haltère entre la position 19 représent6e en hachures en figure 6 et la posi- tion représentée en 19A. Cette dernière position est conte- nue dans le plan 66, qui appartient à la famille de plans représentée par les plans 36 et 39 en figure 4. Lorsque l'haltère 19 de la figure 1 est correcte- ment relié à la pale 6 de l'hélice, la rotation venant d'être décrite, qui est provoquée par la force centrifuge, entraînera le déplacement de la pale de la position 9 à la position 12 en figure 2. On comprendra naturellement que, - 4- dans une mise en oeuvre réelle, l'haltère 19 ne démarrera pas exactement dans le plan 48 des figures 3 et 4. La raison en est que la décomposition vectorielle de la figure 5 s'applique dans un tel cas, la composante 63 à l'origine de la rotation disparaît. Ainsi, en théorie, aucune rotation 33 en figure 3 n'est provoquée lorsque l'haltère 19 est exacte- ment dans le plan 48. Par conséquent, en pratique, il est probablement souhaitable de faire démarrer l'haltère 19 dans une position plus proche que celle représentée par l'haltère 19A en figure 3, c'est-à-dire hors du plan 48. Un problème avec l'approche de l'art antérieur venant d'être décrite est que le travail effectué par le poids 15 en figures 3 et 4 pendant la rotation entre la position initiale théorique 19 représentée en figure 6 et la position finale 19A est donné par l'expression W = I F.dl o W est le travail, F la force centrifuge, et dl la diffé- rentielle suivant le trajet suivi par le poids 15. En d'autres termes, le travail W est fonction de la différence entre le rayon 67 et le rayon 72 en figure 6. Cette diffé- rence de rayon est, en général, de faible valeur. La présente invention a pour objet un dispositif perfectionné exerçant une contrainte sur le pas d'une hélice. La présente invention a pour autre objet un dispo- sitif exerçant une contrainte sur le pas d'une hélice qui tire un travail du mouvement d'un poids da à la force cen- trifuge, mais obtient de ce poids un travail plus important (ou, inversement, le même travail à partir d'un poids plus léger) que dans l'approche de l'art antérieur venant d'être décrite. Dans un mode de réalisation de la présente inven- tion, un poids est relié à une ou plusieurs pales d'une hélice d'avion. Les pales sont du type à pas variable. Le poids est amené à tourner (1) seulement dans un plan radial, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe de rota- -5- tion de l'hélice, et (2) autour d'un axe qui tourne égale- ment autour de l'axe de l'hélice. Par exemple, le poids rotatif et son axe peuvent se trouver près de la racine d'une hélice. La liaison provoque le changement de pas de l'hélice (des hélices) lorsque le poids tourne autour de 1 'axe. annexées exerçant La description qui va suivre se réfère aux figures qui représentent respectivement: figure 1, une vue schématique d'un dispositif une contrainte sur le pas de l'art antérieur; figure 2, ce qu'on entend par angle du pas des pales; figures 3-6, avec davantage de détail, le compor- tement du dispositif exerçant une contrainte de l'art anté- rieur (figure 1) i figure 7, un mode de réalisation de la présente invention; présente de l'art figure 8, un second mode de réalisation de la invention; figure 9, le vecteur V63 de la force centrifuge antérieur, représenté en figure 5. figure 10, le couple de l'approche de l'art anté- rieur; figure 11, le couple de la présente invention; figures 12 et 12A, des diagrammes vectoriels illus- trant d'une façon différente le couple de l'approche de l'art antérieur, figures 13 et 13A, des diagrammes vectoriels illustrant d'une façon différente le couple de la présente invention. La figure 7 illustre sous forme schématique un mode de réalisation de la présente invention, dans lequel un poids 80 relié à un jeu d'engrenages 83 anime d'un mouvement de rotation une pale 6 d'hélice pour la mettre dans la position en drapeau, représentée par la pale en tirets 84. -- 6 -- La rotation du poids 80 jusqu'à la position en tirets 80A est provoquée par la force centrifuge car la pale 6, le jeu d'engrenages 83, et le poids 80 sont tous animés d'un mouve- ment de rotation autour de l'axe 24 comme cela est repré- senté par une flèche 87. Le poids 80 tourne dans l'un, et seulement un, des plans 36, 39 de la figure 4. Le poids 80 ne décrit pas, en figure 7, des cercles successifs tels que 42 et 45 en figure 4 comme cela est le cas du poids 15 de l'art antérieur. En figure 8, on a représenté une forme plus complexe de la présente invention. Dans cette figure, le poids 80 (près de la partie droite de la figure) est supporté par une manivelle 89 qui pivote autour d'un axe 92. Le moyeu 94 correspond en gros au moyeu 21 de la figure 1. On a représenté une partie de la pale 6, et cette pale tourne autour d'un axe 30 comme cela est représenté par la flèche 87. Cette rotation modifie le pas de la pale 6. Un levier 95 est connecté A la pale 6, ainsi qu'à un joint à rotule 97 relié par une biellette 100 a un bossage 102 d'un anneau 103 fonctionnant à l'unisson. L'anneau 103 est relié par une autre biellette 106 à la manivelle 89. La force centrifuge représentée par la flèche 104 a tendance à faire tourner le poids 80 jusqu'à la posi- tion 80A représentée en tirets. Le mouvement de rotation jusqu'à la position 80A a pour effet d'exercer une traction sur le bossage 102 de l'anneau 103 pour l'amener à la posi- tion 102A, d'o une traction sur le levier 95 de l'hélice l'amenant jusqu'à la position 95A. Ainsi, un changement du pas se trouve produit. Ce changement du pas est souhaitable dans le cas o un mauvais fonctionnement a lieu dans un actionneur 107 de changement de pas, lequel est constitué d'un piston hydraulique ou pneumatique commandant le pas de l'hélice par changement de la position de l'anneau 103, comme représenté par les positions 109 et 109A. Lors d'un mauvais fonctionne- ment, le poids 80 prend la relève et entraîne la pale 6 de - 7 - l'hélice jusqu'à la position de mise en drapeau qu'on a discutée en liaison avec la figure 2. Lorsque le piston 107 entraîne la pale 6 de l'hé- lice dans la position correspondant à une inversion de poussée, par exemple dans le cas de l'atterrissage d'un avion, le poids 80 est entraîné jusqu'à la position 80B par le piston 107, à l'encontre du vecteur 104 de la force centrifuge. La présente invention tranche de la manière sui- vante avec l'approche de l'art antérieur décrite ci-dessus. La figure 9 représente une courbe de l'amplitude du vecteur 63 de la figure 5 en fonction de l'angle 8. En figure 9, on donne au vecteur 63 une valeur arbitraire maximum de 100 unités. L'expression V63 = V54 sin8 indiquée dans la figure est satisfaite car le triangle A B C de la figure 4 et les triangles BDE de la figure 5 sont semblables. La distance 111 en figure 4 fait partie du triangle ABC. Il s'agit du côté BC. En figure 5, la distance 111 est la distance: 112(D112) x sinO. On suppose que Dl2 a une longueur égale à l'unité. Ainsi, BC/DE = D112/V54, et V63 = V54 sinO. Le couple C que le vecteur 63 applique à l'axe 30 en figure 5 est le produit vectoriel de V63 et du bras du moment indiqué par le vecteur 112 en figure 5. Le vecteur du couple est représenté par le vecteur 113. Il est perpendicu- laire au plan 51 et, naturellement, au vecteur 112. Avec la géométrie représentée en figure 5, et en supposant que la longueur 112 est égale à l'unité, le couple C devient égal à V63 cos8 comme illustré en figure 10. On représente également dans la figure des expressions équivalentes pour le couple. On souligne ici que le couple est maximum lors- que O est égal à 450 et que le couple maximum est la moitié de l'amplitude maximum du vecteur 63 en figure 9. Cela se comprend facilement si l'on considère l'expression 1/2 K sin 20 en figure 10. Par conséquent, la réalisation de l'art 2589817. - 8 - antérieur, en déplaçant l'haltère suivant un trajet permet- tant d'obtenir la course la plus grande des poids, laquelle est la course allant de la position 19 à la position 19A, donne la caractéristique couple/angle représentée en figure 10. Le couple est nul ou proche de zéro lorsque l'haltère se trouve à la position 19 en figure 6 ou à proximité de cette position; le couple est maximum lorsque l'angle e de la figure 4 est égal à 45 , puis le couple décroît de nouveau jusqu'à zéro ou jusqu'à une valeur proche de zéro lorsque l'haltère atteint la position 19A de la figure 6. Par contraste avec ce qui précède, la présente invention a comme caractéristique du couple celle qui est représentée en figure 11. L'angle e a la même définition qu'en figure 7 et, d'une façon analogue à l'angle O de l'art antérieur (figure 4), e est défini de façon que le poids 80 de la figure 7, dans le but de suivre un trajet fournissant un travail maximum, démarre A O = zéro et se déplace jusqu'à la valeur 6 = 180 . (Le poids 80A en tirets se trouve A la valeur O = 1800). En figure 11, on a représenté une courbe du couple avec l'expression algébrique correspondante. La référence Vl3 concerne le vecteur 113 de la figure 7. On fait remarquer ici que le vecteur 113 de la figure 7 est analogue au vecteur 63 de la figure 5 en ce sens que les deux vecteurs représentent le vecteur de la force centrifuge qui déplace le poids 15 ou le poids 80. Cependant, le couple de la présente invention n'est pas réduit par un facteur cos À comme représenté en figure 10. Ainsi, la présente invention utilise pleinement la force disponible dans le vecteur 113 de la figure 7. On remarquera que le solution de l'art antérieur (figure 4) présente un angle 0 qui n'est compris qu'entre zéro et 90 , comme représenté en figure 10. Par contraste, l'angle de la présente invention va de zéro à 1800, comme le montre la figure 11. La discussion précédente calculait un couple en - 9- fonction des vecteurs V63 de la force centrifuge en figure et V113 en figure 11. Cependant, comme ces vecteurs ne restent pas constants, mais varient avec la position du poids, on calculera maintenant les couples en fonction de variables différentes, à savoir en fonction de paramètres physiques. Le couple dans la solution de l'art antérieur (figures 1 à 6) se calcule avec la suite d'équations sui- vantes: FC est la force centrifuge, M est la masse du poids, D est la distance entre le poids et l'axe de rotation, l'axe y de la figure 12, d est la distance entre le poids 18 et l'axe z en figure 12, qui est l'axe 30 en figure 3, est l'angle qui, selon le système de coor- données choisi peut être égal à e en figure 5. On considère que l'angle a est l'angle du pas des pales en figure 2. Cet angle est soit l'angle réel du pas, soit l'angle réel du pas plus ou moins un nombre constant dépendant de l'orientation du poids 15 par rapport à la pale 6. Dans tous les cas, on peut considérer qu'a représente le pas. B est un angle, également représent6 en figure 4, est la vitesse angulaire de rotation de l'hélice, en radians par seconde, Mz est le moment du poids de la masse m autour de l'axe z. (1) FC = MDw2 par définition (2) M = (FC sine)(d sina) d'après la figure Z 12, également repré- senté en figure 12A. (3) d cosa = D sinf d'après la figure 12. 258981'7 - 10 - D = dcosa sine d'après l'équation 3. M z (5) (6) (7) (8) (9) = (MDW2 sine)(d sina) Mz = i osai sine) (dsina) M z = Md2cosaw2sina 2sin2a 2 Mz = sin22 valeur de FC(1) portée dans (2). valeur de D (4) portée dans (5). d'après (6). substitution de 1' identité trigono- métrique dans (7). d'après (8). La figure 12A représente les vecteurs concernés après repositionnement, et indique le moment Mz. Le couple de la présente invention se calcule avec la suite d'équations suivantes, qui se rapportent aux fi- gures 13 et 13A, et dans lesquelles: D1 est la distance réelle entre le poids et l'axe de rotation, D est la distance entre le centre 150, autour duquel le poids tourne, et l'axe de rotation - et est une constante (le centre 150 se trouve sur l'axe 92 en figure 7), Y est l'angle entre la manivelle de longueur d et une référence, à savoir l'axe z, et les autres symboles s'expliquent d'eux-mêmes. Comme pour la figure 12A, la figure 13A représente les deux vecteurs concernés sous une nouvelle forme. (10) C = LF définition du couple F = MDi D1 = D-d cosY F = M(D-d cosY) w2 en figure 13. par définition. d'après la figure 13 expression D1 portée dans (11). (4) (11) (12). (13) - 11 - (14) a = d siny d'après la figure 13. (15) D sinn = L d'après la figure 13. (16) sin a = dsiny d'après la figure 13 D-dcosy et remplacement de D1 par sa valeur (12) et a par sa valeur (14) (17) L = D (dsiny) Combinaison des D-dcosy 2 équations 15 et 16. (18) C D(dsiny) M(D-dcosy)w L (17) et de F (13) D-dcosy portés dans (10). (19) C = MDdsin w2 simplification de l'équation 18. Comme on l'a indiqué ci-dessus, l'angles de l'é- quation 2 est l'angle du pas des pales. Cet angle peut être lié a l'angle y dans l'équation 19 en supposant un rapport spécifique dans la biellette 83 de la figure 7. Si l'on suppose un rapport 2/1 (c'est-à-dire que l'engrenage 83B a le double de dents de l'engrenage 83A), on obtient alors: (20) y = 2a Après avoir porté cette valeur dans l'équation 19 et divisé l'équation 19 par l'équation 9, on obtient _2D (21) C = 2-D Mz Ainsi, le couple C de la présente invention est supérieur à celui de la solution de l'art antérieur suivant un facteur égal à 2D/d. On remarquera ici que dans les équations précé- dentes, on supposait que la manivelle 89 de la figure 8 (qui est décrite comme ayant une longueur d en figure 13) n'avait pas de masse. Cependant, en réalité, la manivelle aura une - 12 - masse finie et il en résultera que le couple réel sera supérieur à celui calculé dans les équations telles que l'équation 19. Néanmoins, l'équation 19 permet de calculer valablement la composante du couple total qu'on peut attri- buer au poids 80 en figures 7 et 8. On vient de décrire une invention, dans laquelle un poids 80 (figure 8) se déplace en même temps que tourne la pale 6 de l'hélice d'un avion, mais qui peut également être animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe 92 lors de la défaillance d'un piston 107 de changement du pas. Lors de rotation autour de l'axe 92, le poids 80 se main- tient dans un plan parallèle au plan de rotation de l'hé- lice. Le plan de rotation est celui qui est défini par le cercle 87 en figure 7, et est parallèle aux plans 36 et 39 en figure 4. Une telle rotation provoque l'entraînement du poids jusqu'à la position 80A représentée en tirets en figure 8, d'o le changement du pas de l'hélice 6 par la rotation du levier 95A représenté en tirets. La rotation jusqu'à la position 95A est provoquée par la force centri- fuge. Le travail effectué par le poids 80 pendant la rota- tion et dont on dispose pour amener la pale 6 de l'hélice jusqu'à la position de mise en drapeau, est l'intégrale du produit de la force centrifuge F par la distance dl, soit: W =f F.dl. La distance intégrée est la variation du rayon AR en figure 8. La distance intégrée sera, en générale, supé- rieure a la distance analogique pour le dispositif de l'art antérieur discuté ci-dessus, qui est la différence entre les distances 67 et 72 en figure 6. Dans un sens, la rotation représentée par la flèche 33 en figure 3 du dispositif de l'art antérieur et la rotation du dispositif de la présente invention jusqu'à la position 80A en figure 7 sont simi- laires: les vecteurs 63 en figure 5 et 113 en figure 7 sont analogues. Mais, la présente invention permet d'obtenir un travail plus important, avec des longueurs similaires du bras 112 en figure 7 et du bras 112 en figure 5. - 13 - REVENDICATIONS 1. Hélice d'avion comportant au moins une pale dont le pas peut changer, caractérisée en ce qu'elle com- prend: (a) un poids qui ne peut tourner que dans un plan radial et, (b) une biellette reliant le poids à une ou plusieurs pales afin de modifier le pas des pales en réponse A la rotation de (a). 2. Dispositif de changement de pas pour hélice d'avion pouvant tourner autour d'un axe (24), caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un poids (80) sur une manivelle (89) et pou- vant tourner autour d'un second axe (92); (b) un moyen de liaison pour relier la manivelle à au moins une pale de l'hélice afin d'appliquer un premier couple C1 à la pale dans le but d'en modifier le pas, le poids (80) et la manivelle (89) appliquant un second couple C2 au moyen de liaison de façon que C2 soit sensiblement égal à MDdsin2, espression dans laquelle: M est la masse du second axe; D est la distance entre le poids et l'axe de l'hélice; d est la distance entre le poids et le second axe (92); y est la position angulaire de la manivelle par rapport A une référence; et w est la vitesse de rotation du poids autour de l'axe de l'hélice.