Brevet FR2728312A1 — publié le 19960621

Ensemble d'hélice à pas variable. réversible en fonctionnement L'invention concerne un ensemble d'hélice à pas variable destiné notamment à la propulsion d'engins de transport, ainsi qu'à l'actionnement de dispositifs éoliens tels que des pompes éoliennes ou encore de turbines par exemple dans les centrales hydroélectriques, et analogues. Les hélices à pas variable connues comportent des pales mobiles en rotation autour d'un axe fixe dans le moyeu de l'hélice ; cet axe est commandé en rotation par une pignonerie souvent complexe, lourde, volumineuse, et en conséquence de construction onéreuse. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient en créant une hélice à pas variable associée à un dispositif d'actionnement de manière à constituer un ensemble de construction simple et de poids modéré, et ainsi à limiter les coûts de construction à un montant raisonnable. Elle a également pour but de faciliter, en cas de détérioration, les opérations de dépannage, en permettant un remplacement aisé, rapide et sûr de la pale ou des pales abîmée(s). A cet effet, l'invention concerne un ensemble d'hélice à pas variable, du type comportant au moins une pale solidarisée à un moyeu monté rotatif autour d'un axe et logé dans une ogive, caractérisé en ce que - chaque pale est fixée à un pied de pale qui est d'une part solidarisé au moyeu dans sa rotation autour de l'axe mais libre par rapport à lui à la fois en translation dans la direction définie par cet axe et en rotation autour d'un axe orthogonal à celle-ci, et d'autre part solidarisé à l'ogive en translation mais libre par rapport à elle en rotation, - des moyens de modification du pas de l'hélice sont liés mécaniquement à l'ogive pour l'entraîner sélectivement dans un mouvement de translation par rapport au moyeu le long de l'axe de rotation de celuici, et - le moyeu et chaque pied de pale comportent des organes d'actionnement du pied de pale en rotation, provoquant, à partir de la translation de l'ogive, la rotation du pied de pale autour d'un axe mobile en translation dans la même direction et orthogonal à celle-ci. Grâce à ces caractéristiques, on obtient un ensemble d'hélice à pales aisément interchangeables, et dont le pas est modifiable et même réversible en fonctionnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'une forme de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple non limitatif et représentée sur les dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 est une coupe schématique longitudinale de profil, d'un ensemble d'hélice selon l'invention, - les figures 2 A et B sont des vues montrant plus complètement une pièce de l'ensemble de la figure 1, respectivement en coupe de profil, et de dessus, et - la figure 3 est une vue en coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 1, d'une partie de l'ensemble de la figure 1. L'ensemble d'hélice représenté sur les figures, à hélice bi-pales, est prévu pour être accouplé à un moteur hors-bord de bateau. Cet ensemble d'hélice comporte deux pales 1 fixées chacune à un pied de pale 2 respectif solidarisé à un moyeu 3 porté par un arbre 4 allongé centré sur un axe et tournant autour de cet axe en entraînant les pales, lesquelles sont montées alignées en sens opposés et définissent, lors de leur rotation, un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de l'arbre. Les bases des pieds de pales 2 solidarisées au moyeu 3, ainsi que le moyeu et une partie de l'arbre 4 sont logés dans une ogive 5 présentant une forme de révolution à sections droites circulaires centrées sur l'axe de rotation, intérieurement cylindrique autour du moyeu. L'arbre 4 est entraîné en rotation par un dispositif d'entraînement 6 pouvant être à pignons, à courroie(s), ou autres. Selon l'invention, l'arbre 4 est creux et associé à des moyens 7 de modification du pas de l'hélice, agissant sur l'orientation des pales 2 par l'intermédiaire de translations en direction axiale, de l'ogive 5, à laquelle sont solidarisées les bases 21 des pieds de pales ; les bases 21 étant liées en translation mais libres en rotation par rapport à l'ogive, le mouvement de translation des pieds de pales dû à celui de l'ogive provoque une rotation de ceux-ci grâce à la coopération de chaque base 21 de pied de pale avec une crémaillère 8 fixée au moyeu.Les moyens 7 de modification du pas de l'hélice sont du type hydraulique ; à cet effet, l'arbre creux 4, réalisé à la manière d'un vérin, contient un piston coulissant 71 mû par un fluide introduit axialement dans l'arbre creux et évacué de celui-ci au moyen d'un joint tournant 72, et éventuellement (comme on le verra dans la suite) par un moyen de rappel élastique 73, et une tige 74 portée par le piston et s'étendant axialement pour partie dans l'arbre creux est fixée au sommet de l'ogive 5. Plus précisément, les pales 1, en matière synthétique, et ainsi d'un prix modéré, sont fixées dans les pieds de pales 2, lesquels sont métalliques, dans une rainure 22 s'étendant longitudinalement dans la même direction que le plan de rotation des pales ; cette rainure présente, comme la partie correspondante des pales, une section transversale en T dont la branche verticale s'étend dans la même direction que la pale et dont la barre horizontale s'étend dans la même direction que l'axe de rotation de l'hélice ; la fixation est effectuée par une vis traversant la pale dans son épaisseur. Les pales possèdent une zone de rupture de sécurité de moindre résistance, de telle sorte qu'elles se brisent dans cette zone en cas de choc avec une force ou un couple supérieur à une valeur prédéterminée. La base 21 des pieds de pales présente une forme générale extérieure en calotte sphérique tronquée dont le rôle sera vu plus loin ; cependant, cette calotte sphérique tronquée présente une denture 23 sur une zone latérale troncaturée en arc de cercle prolongé latéralement par des tangentes rejoignant le contour de la base de la calotte sphérique, le long de laquelle sont formées et se succèdent des dents 24 s'étendant dans la même direction que les pales et destinées à engrener tour à tour avec les dents 81 de la crémaillère 8, qui s'étendent également dans la même direction que les pales 1 et se succèdent dans la même direction que l'axe de rotation de l'hélice. La région en calotte sphérique tronquée de la base 21 des pieds de pales est reliée à la région de fixation 25 des pales par une région cylindrique 26 dont l'axe central prolonge le rayon de la calotte qui est perpendiculaire à la face inférieure plane 27 de la base de celle-ci. Le moyeu 3 en matière synthétique injectée, est surmoulé autour de l'arbre 4, lequel est de préférence métallique, par exemple en acier ; il présente extérieurement une forme générale cylindrique centrée sur l'axe de rotation de l'hélice, de diamètre extérieur pratiquement égal au diamètre intérieur de la partie cylindrique de l'ogive qui l'entoure, munie de méplats 31 diamétralement opposés sur lesquels sont posées les faces inférieures planes 27 des bases des pieds de pales ; les crémaillères 8 peuvent être fixées sur ces méplats 31, ou être en une seule pièce avec les moyeux, en fonction notamment des matériaux utilisés ; dans le deuxième cas, les méplats ne s'étendent pas, transversalement aux moyeux, sur toute l'étendue de ceux-ci, mais sont d'un côté limités par une paroi perpendiculaire à eux et s 'étendant dans une direction générale longitudinale, laquelle paroi est munie de dents présentant une forme identique à celles de la base des pieds de pales pour engrener avec elles, et s'étendant perpendiculairement au méplat en se succédant longitudinalement. L'ogive 5 est fixée à la tige 74 portée par le piston 71, à son sommet, au moyen d'une vis 75 ; elle comporte dans sa paroi latérale deux trous circulaires dont les axes centraux sont alignés et diamétralement opposés, livrant passage à la région cylindrique 26 des pieds de pales 2 dont la région de fixation 25 des pales est hors de l'ogive ; la paroi latérale de ces trous circulaires sert de palier à cette région cylindrique 26 des pieds de pales, lorsque l'ogive, actionnée par la tige de piston 74, coulisse autour du moyeu 3 en entraînant les pieds de pales, lesquels simultanément tournent dans les trous circulaires de l'ogive par suite de l'engrènement de leurs dents 24 avec les dents 81 des crémaillères 8 ; afin que soit assuré un bon guidage à la base des pieds de pales lors de sa rotation dans l'ogive, sans jeu préjudiciable au fonctionnement, le rayon de la surface sphérique de la base 21 est à peine inférieur à celui de la section droite de l'ogive qui contient les axes centraux des trous circulaires ; de plus, cette forme assure une bonne répartition des contraintes. L'arbre creux 4 présente extérieurement, en section transversale droite, une forme générale rectangulaire qui est épousée par la paroi interne du moyeu 3 surmoulé autour de lui ; les angles du parallélépipède ainsi formé par la paroi extérieure de l'arbre sont munis de rainures 41 longitudinales.La cavité centrale de l'arbre creux dans laquelle se meut le piston 71 présente une section transversale droite circulaire ; cette cavité centrale est obturée à son extrémité du côté du sommet de l'ogive 5, par un disque 76 de guidage de la tige de piston 74 muni d'un trou central pour le passage de cette tige 74, et elle ne débouche à son extrémité opposée que par un conduit 77 pour le passage du fluide de commande de modification du pas de l'hélice et un logement pour le joint tournant 72 traversé par la tubulure 78 d'amenée du fluide, par exemple un tuyau en Rilsan (marque déposée) ; le piston 71 monté coulissant à l'intérieur de l'alésage de l'arbre creux y est étanché au moyen d'une garniture logée dans une gorge creusée dans le pourtour du piston. Le moyen élastique 73, sous la forme d'un ressort hélicoidal enroulé autour de la tige de piston, en appui à une extrémité contre le disque 76 de guidage de la tige de piston, et à l'extrémité opposée contre le piston 71, permet le rappel de celui-ci vers l'extrémité de l'arbre creux par laquelle est amenée le fluide de commande ; naturellement, un autre moyen élastique peut être utilisé à même fin, et on peut même réaliser l'arbre creux à la manière d'un vérin à double effet, ce qui permet la suppression d'un organe tel qu'un ressort. Le piston 71 est par exemple en matériau synthétique, et la tige 74 peut être réalisée monobloc avec lui. Extérieurement, l'arbre creux 4 présente un certain nombre d'épaulements contre lesquels sont disposés des butées et/ou des roulements à bille 61, 62, servant notamment à son support dans un palier (à proximité de son extrémité par où est introduit le fluide de passage) et lors de la transmission du mouvement de rotation à l'hélice, lequel mouvement est transmis depuis un dispositif moteur (non représenté sur les dessins), par exemple au moyen de pignons d'engrenage coniques 63, 64. Si l'on se réfère à la figure 1, on comprend aisément que la rotation des pignons 63, 64 du dispositif d'entraînement 6 provoque une rotation correspondante de l'arbre creux 4 avec le moyeu 3 et ses crémaillères 8, et en conséquence d'une part des moyens 7 de modification du pas liés à l'arbre creux, et d'autre part des pieds de pales 2 et des pales 1, ainsi que de l'ogive 5 ; si une modification du pas de l'hélice est désirée, il suffit d'introduire, en manoeuvrant un dispositif de commande non représenté comportant un simple vérin à vis à commande manuelle ou automatique, ou autre, la quantité désirée de fluide de commande (par exemple une huile) sous la pression appropriée, par l'intermédiaire de la tubulure 78 et à travers le joint tournant 72, dans l'alésage de l'arbre creux pour provoquer une translation du piston 71 qui reçoit la poussée hydraulique.La translation du piston 71 à l'encontre de l'effort de rappel exercé par le ressort 73 entraîne par l'intermédiaire de la tige 74, la translation de l'ogive 5 et ainsi un déplacement des pieds de pales 2 dans la direction de l'axe de rotation de l'hélice ; dans leur déplacement, les pieds de pales 2 roulent en appui contre les crémaillères 8 par suite de la réaction des dents 81 de celles-ci sur les dents 24 de la denture 23 des régions de base 21 des pieds de pales, lesquelles dents sont toujours parfaitement en prise et sans jeu ; la rotation des pieds de pales lors de leur déplacement longitudinal provoque naturellement un mouvement identique des pales, et ainsi la modification du pas de l'hélice. En d'autres termes, la modification du pas de l'hélice s'accompagne d'un changement de l'emplacement de l'axe longitudinal des pales le long de l'axe de rotation de l'hélice.Comme on l'a vu, une modification en sens inverse est obtenue par l'effort de rappel exercé sur le piston lorsque la quantité et la pression de fluide diminuent dans l'arbre creux, ou encore en mettant en oeuvre un vérin à double effet au lieu d'un vérin à simple effet. En tout cas, le pas de l'hélice peut être modifié et même inversé en fonctionnement, c'est-à-dire lors de la rotation de l'hélice autour de son axe, en continu, en passant par le point mort sans à-coups, et avec précision. Egalement, avec un tel ensemble d'hélice, l'hélice peut être tenue en drapeau sans rotation pour diminuer la traînée. De plus, grâce à cette disposition, les pales sont aisées à fabriquer, ont un faible prix de revient, et sont interchangeables très facilement et très rapidement. On peut ainsi admettre comme normale la rupture des pales dans une région de moindre résistance prévue à cet effet, en cas de choc lors de la rotation, aucune réparation coûteuse n'étant nécessaire puisqu'il suffit de changer les pales rompues, opération rendue très simple et rapide grâce à la rainure en T des pieds de pales facilitant leur positionnement et à leur fixation par une unique vis ; en revanche le reste de l'hélice n'est pas détérioré. I1 en résulte que la sécurité est considérablement accrue à moindre prix, et l'hélice peut être utilisée en traction , c'est-àdire en attaque directe ce qui permet d'obtenir un meilleur rendement. Enfin, le fait que cette conception mette en oeuvre un maximum de pièces en matière synthétique injectée est une deuxième source de réduction des coûts de fabrication en autorisant une fabrication en série, permet d'obtenir une esthétique satisfaisante (couleur obtenue dans la masse) et une qualité de finition particulièrement favorable en matière de pénétration dans le milieu, par exemple dans l'eau, et également aboutit à un ensemble de faible poids comparé à celui des autres ensembles d'hélice à pas variable. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation ci-dessus décrite et représentée, et on pourra en prévoir d'autres sans sortir de son cadre, notamment prévoir des ensembles d'hélice comportant un nombre quelconque de pales associées naturellement à autant de crémaillères. On pourra également réaliser conformément à l'invention, des hélices comportant plusieurs jeux de pales disposés les uns derrière les autres comme cela est le cas pour les pompes étagées, les pales de chaque jeu étant calées avec un angle différent ; la modification de pas est appliquée simultanément aux jeux de pales en conservant le même décalage angulaire ; dans ce cas, il suffit que l'ogive, allongée en conséquence, soit percée d'autant de rangées de trous s'étendant circonférentiellement, pour le passage des pieds de pales, qu'il y a de pales, et naturellement que les pièces qu'elle contient, notamment le moyeu, soient plus longues, si nécessaire. I1 faut également noter que si la forme de réalisation décrite et représentée est un ensemble d'hélice où l'arbre est actionné en rotation par un dispositif agissant sur celui-ci par l'extérieur (pignon, courroie, etc.), on peut aussi prévoir des formes de réalisation où l'arbre étant relié directement au moteur, le joint tournant est disposé à la périphérie de l'arbre ; par exemple, le joint tournant est constitué de deux bagues d'étanchéité entre lesquelles est introduit le fluide de commande, et un trou radial s'étendant sur l'axe entre ces deux bagues sert à l'introduction du fluide dans l'arbre creux où coulisse le piston. REVENDICATIONS 1 - Ensemble d'hélice à pas variable, du type comportant au moins une pale (1) solidarisée à un moyeu (3) monté rotatif autour d'un axe et logé dans une ogive (5), caractérisé en ce que - chaque pale (1) est fixée à un pied de pale (2) qui est d'une part solidarisé au moyeu (3) dans sa rotation autour de l'axe mais libre par rapport à lui à la fois en translation dans la direction définie par cet axe et en rotation autour d'un axe orthogonal à celleci, et d'autre part solidarisé à l'ogive (5) en translation mais libre par rapport à elle en rotation, - des moyens (7) de modification du pas de l'hélice sont liés mécaniquement à l'ogive (5) pour l'entraîner sélectivement dans un mouvement de translation par rapport au moyeu (3) le long de l'axe de rotation de celui-ci, e t - le moyeu (3) et chaque pied de pale (2) comportent des organes (8, 23) d'actionnement du pied de pale en rotation, provoquant, à partir de la translation de l'ogive (5), la rotation du pied de pale autour d'un axe mobile en translation dans la même direction et orthogonal à celle-ci. 2 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pale (1) et le pied de pale (2) sont fixés l'un à l'autre par des parties en T traversées par une vis. 3 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pied de pale (2) et le moyeu (3) sont disposés l'un contre l'autre, avec des faces (27, 31) planes respectives en regard. 4 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pied de pale (2) comporte une région cylindrique (26) montée libre en rotation dans un trou circulaire de l'ogive (5), et une région en forme de calotte sphérique (21) s'étendant entre le moyeu (3) et la face interne de la paroi de l'ogive (5), les organes (8, 23) d'actionnement du pied de pale en rotation à partir de la translation de 1'ogive étant portés respectivement par le moyeu et par le pied de pale. 5 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyeu (3) est fixé autour d'un arbre creux (4), et les moyens (7) de modification du pas de l'hélice, du type hydraulique, comprennent un piston (71) monté coulissant dans cet arbre creux et mû par un fluide, une tige axiale (74) portée par ce piston et fixée au sommet de l'ogive (5), et un joint tournant (72) logé dans une extrémité de l'arbre creux. 6 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes d'actionnement du pied de pale (2) en rotation comprennent, pour chaque pale (1), une crémaillère (8) portée par le moyeu (3) et une denture (23) s'étendant sur une partie de la périphérie de la base du pied de pale (2). 7 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (7) de modification du pas de l'hélice comprennent un organe de rappel (73) en appui contre un moyen de modification du pas de l'hélice sous la forme d'un piston (71) monté coulissant sous l'action d'un fluide dans un arbre creux (4) logé partiellement dans le moyeu (3). 8 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (7) de modification du pas de l'hélice comprennent un vérin à double effet. 9 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque pale (1) comporte une zone de moindre résistance mécanique destinée à être le siège d'une rupture lorsque la pale est soumise à une contrainte supérieure à une valeur prédéterminée. 10 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs pales (1) régulièrement réparties autour du moyeu (3). 11 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des pales s'étendant dans des directions contenues dans des plans disposés, le long du moyeu, les uns derrière les autres. 12 - Ensemble d'hélice selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint tournant est disposé autour de l'arbre.