Brevet FR2619785A1 — publié le 19890303

"Hélice à contour d'écoulement dirigé radialement vers l'intérieur sans déformation mécanique des pales" L'invention concerne une hélice. Depuis longtemps, il existe des tendances résultant à la fois de raisons d'économie et de fonc- tionnement et de raisons d'économie d'énergie, pour réduire la consommation en carburant de moteurs notam- ment d'avions. A côté de la qualité du procédé thermodyna- mique du moteur, un élément important est la qualité du générateur de poussée (rendement de poussée). Le rendement de poussée est d'autant meilleur que la dif- férence entre la vitesse de sortie du générateur prin- cipal de poussée et la vitesse de vol est faible. Dans le cas d'une hélice classique, on rencontre toutefois des pertes considérables pour la plage des nombres de Mach de vol M > 0,7 et qui réduisent fortement le ren- dement d'ensemble. - Ces pertes proviennent du fait que le niveau de pression statique diminue alors que la vitesse re- lative entre la pale de l'hélice et l'air arrive dans la zone supersonique, défavorable. De ce fait, les mo- teurs à hélice actuels ne permettent pratiquement pas d'atteindre des vitesses supérieures à M = 0,7 dans des conditions de mise en oeuvre acceptables. Pour des nombres de Mach de vol, sensible- ment plus faibles, on a développé des moteurs à souf- flante qui permettent d'obtenir des rendements de poussée meilleurs que les seules hélices. Un exemple d'un tel moteur à soufflante est décrit DEOS 33 04 417. Le document FR-877 989 publie une hélice dont les pales sont courbées dans la direction péri- phérique. On se propose ainsi d'améliorer le rendement et de réduire le bruit aux nombres de Mach élevés. Selon FR-1 047 583, on connaît une hélice dont les pales sont inclinées dans la direction axia- le. Le but est d'obtenir un meilleur écoulement en combinaison avec le cône pointu de l'onde. En particu- lier les lignes d'écoulement doivent être déviées ra- dialement vers l'intérieur. L'inconvénient de ces deux solutions est que le centre de gravité des pales d'une hélice n'est plus exactement radialement au-dessus de son point de fixation. La fixation des pales est ainsi soumise à des moments de flexion importants, ce qui nécessite à cause des forces centrifuges élevées, une fixation lourde pour les pales. La présente invention a pour but de créer une pale d'hélice générant un contour d'écoulement di- rigé radialement vers l'intérieur sans que les fixa- tions des pales ne soient exposées à des moments méca- niquement défavorables. A cet effet, l'invention concerne une hélice du type ci-dessus, caractérisée en ce que les pales sont courbées pour que la force perpendiculaire à la surface du côté de pression du profil et du côté d'as- piration du profil sur l'air qui s'écoule donne par intégration sur toute la hauteur de l'hélice une pres- sion statique croissante en direction du moyeu et dont le centre de gravité de la pale de l'hélice est situé radialement au-dessus du moyen de fixation de la pale de l'hélice. L'avantage principal de l'invention réside dans le fait que l'on génère une pression statique croissante radialement vers l'intérieur. Cela réduit le niveau de la vitesse relative de l'hélice ainsi que la torsion. La force exercée par la pale de l'hélice sur l'air qui s'écoule est toujours pratiquement perpendi- culaire au côté de pression du profil. La composante radiale de cette force augmente la pression statique en direction du moyeu de l'hélice; la composante ra- diale engendre la poussée. L'accumulation qui résulte de la montée ra- diale de la poussée en amont de l'hélice entraîne une réduction avantageuse du niveau de la vitesse de l'écoulement sur le profil de l'hélice. Le niveau de vitesse avantageusement réduit permet d'éviter avanta- geusement les pertes qui augmentent brutalement aux vitesses relatives situées dans la plage supersonique (comme pour les hélices actuelles), ce qui permet des vitesses de vol plus importantes. Grâce à la disposition du centre de gravité de la pale de l'hélice, radialement au-dessus de la fixation de la pale, on évite les moments de flexion qui agissent sur la fixation de la pale. Cette pale peut ainsi se réaliser de manière inchangée par rap- port aux réalisations actuelles tout en offrant les effets avantageux d'un profil selon l'invention. On cherche à réaliser une montée en pression aussi importante que possible du segment extérieur vers l'intérieur. Pour cela, il faut que l'angle d'in- clinaison de l'axe de la pale par rapport à la direc- tion radiale au niveau de la pointe de la pale soit aussi grand que possible. Les avantages liés à la solution de l'inven- tion tels que la réduction des pertes et la réduction du bruit ou pour une même puissance motrice et un même diamètre d'hélice, une poussée plus importante ou en- core pour une même poussée et une même puissance mo- trice, une réduction du diamètre de l'hélice sont pos- sibles pour les différents types de moteurs d'hélice c'est-à-dire des moteurs électriques ou des moteurs à combustion interne. Ainsi, un autre avantage de l'invention ré- side dans le nombre très important d'applications d'un tel moteur à hélice par exemple pour la conception de machines soufflantes, de ventilateurs. De tels moteurs de soufflantes ou soufflantes peuvent s'utiliser non seulement pour des avions mais également pour des vé- hicules terrestres ou des véhicules combinés tels que des engins à coussin d'air ou autres en particulier pour générer la traction, la poussée et/ou le soulève- ment. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les pales de l'hélice sont courbées dans le sens de rotation. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les pales de l'hélice sont courbées dans la direction périphérique en forme de faucilles avec la concavité tournée dans le sens de rotation. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les pales sont courbées en faucilles dans la direction axiale, la concavité de la faucille étant opposée à la direction d'avancée. Enfin, suivant une autre caractéristique de l'invention, les pales sont munies de dispositifs de réglage pour assurer le réglage de l'inclinaison des pales dans le sens de rotation et/ou dans le sens de l'avancée. La présente invention sera décrite de maniè- re plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'une hélice. - la f.gure 2 est une vue de côté de l'hélice de la figure 1. - la figure 3 est une vue de côté d'un autre mode de réalisation d'une hélice. - la figure 4 est une vue de-dessus d'une hélice à gradient de pression croissant. - la figure 5 est une vue de-dessus d'un autre mode de réalisation d'une hélice. - la figure 6 montre un mécanisme de réglage de l'hé- lice en vue de face. - la figure 7 est une coupe longitudinale du mécanisme de réglage de la figure 6. La figure 1 montre une vue de face d'une hé- lice à deux pales 1 et 2 fixées sur un moyeu rotatif 3; les deux pales 1 et 2 sont identiques; ces pales sont courbées dans le sens de rotation. La référence N désigne la direction de la force exercée sur l'air, perpendiculairement au côté de pression du profil de l'hélice. La référence R dé- signe la composante radiale de la force N. Pour éviter la difficulté de la fixation en- gendrée par le moment de flexion, le centre de gravité S est situé radialement au-dessus de la fixation 4 de la pale. Toutefois en partant du rayon R, et en allant vers l'intérieur, le gradient de pression diminue de nouveau, car la normale à la face de refoulement pré- sente une composante radiale dirigée vers l'extérieur. Du fait de la vitesse périphérique plus faible, le gradient de pression engendré, dirigé de façon opposée est toutefois plus faible que celui engendré extérieu- 2 619785 rement et la somme de la montée en pression, souhaitée est dirigée vers l'intérieur. Dans la réalisation de l'hélice selon les figures 1 et 2, on peut éviter la disparition du gra- dient de pression au niveau du moyeu si l'on choisit l'inclinaison intérieure + p (selon la figure 2) pour que son gradient de pression (croissant vers l'inté- rieur) compense ou dépasse celui engendré par la di- rection périphérique du moyeu de la figure 1. La figure 3 montre trois coupes d'une pale d'hélice 1 à savoir une coupe au niveau du moyeu N, une coupe intermédiaire M et une coupe d'extrémité G. Ces trois coupes N, M, G sont représentées à la figure 4 suivant une respective radiale c'est-à-dire en vue de-dessus superposée. Les centres de gravités respec- tifs des surfaces portent les références SN, Sm, SG. Selon l'invention, on choisit un tracé de la ligne de gravité (tracé radial) pour que la projection de la surface des différentes coupes (hachurées vers la gauche) dirigées vers l'intérieur soit suffisamment grande pour qu'en faisant la somme pour l'hélice 1 (diamètre de l'hélice), on obtienne un gradient de pression croissant vers l'intérieur (figure 4). Le dé- placement de la coupe G se fait à la fois dans la di- rection périphérique U et la direction axiale Z. Il en résulte pour les deux une normale à la surface dirigée vers l'intérieur (hachure vers la gauche). Pour réaliser une fixation de pale libre de tout moment de flexion, on a entre les coupes N et M une "inclinaison négative" (hachure dirigée vers la droite) alors qu'entre N et G, on a une "inclinaison positive" (hachure vers la gauche avec une composante de la normale à la surface dirigée vers l'intérieur), aussi longtemps que la somme de la pression statique augmente vers l'intérieur. Le centre de gravité totale de la pale coïncide avec le centre de gravité de. sur- face SN de la coupe faite au niveau du moyeu. Le gradient de pression, radial existe si la force exercée par l'hélice sur l'air qui s'écoule ou sur le fluide présente une composante radiale c'est-à- dire si la normale à la surface dans chaque section de profil de l'hélice est inclinée par rapport à la ra- diale. La force de l'hélice elle-même augmente natu- rellement avec la poussée, la pression statique et la longueur apparente du profil. C'est pourquoi, l'effi- cacité de l'inclinaison augmente de l'intérieur vers l'extérieur. La disposition représentée à la figure 5 permet cela. Entre les coupes N et M, malgré une surface de projection "négative" importante, on a un gradient de pression moins "négatif" (hachure vers la droite) entre N et G, mais avec un décalage du centre de gra- vité relativement faible permettant d'obtenir un gra- dient de pression "positif" important (hachure tournée vers la gauche) ce qui donne en tout une montée en pression souhaitée, vers l'intérieur. Pour obtenir le gradient de pression optimum pour chaque vitesse de vol et chaque vitesse de rota- tion de l'hélice, il est avantageux d'utiliser un mé- canisme de réglage d'inclinaison comme celui représen- té aux figures 6 et 7. Il permet d'influencer le déca- lage du centre de gravité à la fois dans la direction de l'axe U et dans la direction de l'axe Z. En tour- nant la bague 5 dans le sens de la flèche, on incline l'hélice dans la direction U (figure 6). En tournant la vis 6 du moyeu 3 sur la bro- che 7, la pale 1 de l'hélice pousse dans la direction opposée du moment engendré par la force centrifuge Z dans une position inclinée donnant un décalage par rapport à l'axe Z comme celui décrit dans l'exemple précédent (voir les flèches à la figure 7). Le réglage se fait séparément ou de manière combinée de préférence par un moyen électrique/élec- tronique et en continu par exemple comme indiqué dans EP 154 808. On peut également utiliser des pales à géométrie variable (par exemple du type de celles du document EP 166 104). D'autres variantes des exemples de réalisation peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1') Hélice à au moins deux pales qui sont fixées à un moyeu par des moyens de fixation de pales, hélice caractérisée en ce que les pales (1, 2) sont courbées pour que la force perpendiculaire à la surfa- ce du côté de pression du profil et du côté d'aspira- tion du profil sur l'air qui s'écoule donne par inté- gration sur toute la hauteur de l'hélice une pression statique croissante en direction du moyeu (3) et dont le centre de gravité de la pale de l'hélice est situé radialement au-dessus du moyen de fixation de la pale de l'hélice. 2) Hélice selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les pales de l'hélice sont courbées dans le sens de rotation. 3@) Hélice selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisée en ce que les pales de l'hélice sont courbées dans la direction périphérique en forme de faucilles avec la concavité tournée dans le sens de rotation. 4") Hélice selon la revendication 3, carac- térisée en ce que les pales sont courbées en faucilles dans la direction axiale, la concavité de la faucille étant opposée à la direction d'avancée. 5') Hélice selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce que les pales sont munies de dispositifs de réglage (5 ou 7) pour assurer le réglage de l'inclinaison des pales dans le sens de rotation et/ou dans le sens de l'avancée.