Brevet FR2737465A1 — publié le 19970207

PALE DE ROTOR EN RESINE SYNTHETIQUE RENFORCEE PAR FIBRES POUVANT SUBIR UNE TORSION. L'invention est relative à une pale de rotor en résine synthétique renforcée par fibres pouvant subir une torsion, dont le profil est réalisé, au moins dans la région de la pointe de la pale, de manière à pouvoir subir une torsion autour de l'axe longitudinal de la pale de rotor par cpales de rotor de grande extension longitudinale et de profondeur de profil réduite, comme elles sont utilisées en particulier dans des mécanismes porteurs rotatifs d'engins à voilure tournante, en particulier d'hélicoptères, les forces aérodynamiques conduisent à des oscillations de pales de rotor et à des vibrations qui entraînent essentiellement une propagation de bruits et des trépidations du fuselage. Pour un engin à voilure tournante, en particulier un hélicoptère, interviennent en outre différentes forces qui agissent différemment selon la position angulaire de la pale de rotor respective par rapport à l'axe longitudinal du fuselage. Des grandeurs d'influence pour le système dynamique du rotor sont constituées par les propriétés dynamiques des pales de rotor, leurs rapports de masse, d'amortissement et de rigidité ainsi que les conditions de connexion de la pale. Ce qui précède est applicable également par analogie à des rotors particuliers avec des pales de rotor de grande extension longitudinale et de profondeur de profil réduite, comme ils sont utilisés par exemple dans les éoliennes. D'après un exposé ayant pour titre "Feasibility of Arbitrary Pitching Motion Controlled by Piezoceramic Actuators to Reduce Blade-Vortex Interaction Noise" (Faisabilité d'un Mouvement de Pas Arbitraire Commandé par des Actionneurs Piézocéramiques pour Réduire le Bruit d'interaction Pale- Vortex) tenu par Marc P. Amerigo et James D. Baeder lors du 5lème Forum Annuel de l'American Helicopter Society, Forth Worth Tx 9-1 1 Mai, 1995, il est connu de provoquer une torsion d'une pale de rotor bobinée orthotrope par des éléments piézo plats en forme de bandes intégrés dans la peau de torsion de la pale de rotor, et ceci sur les deux bords supérieurs du profil, respectivement avec une direction angulaire opposée. Les éléments piézo de ce type sont limités en ce qui concerne les forces à exercer pour la torsion. Le but de l'invention est de réaliser une pale de rotor du type en question de telle sorte que la torsion de la lame de rotor pour la modification des lois de mouvement aéroélastiques du rotor et du système entraîné par le rotor soit possible d'une manière plus simple et plus efficace. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que la peau de torsion de la pale de rotor dans la zone de la pointe de la pale est réalisée de manière anisotrope pour créer un couplage traction-rotation et qu' un actionneur pouvant être commandé, agissant sur la pointe de pale de rotor dans la direction longitudinale de la pale de rotor, est disposé dans le longeron de pale de rotor. De préférence, pour obtenir l'anisotropie de la peau de torsion un bobinage unilatéral est prévu avec un angle d'enroulement par rapport à l'axe longitudinal de pale de rotor qui est plus petit que 45 et dépend du rapport course-force de l'actionneur. Des réalisations avantageuses constituent l'objet des sous- revendications. L'invention est illustrée à titre d'exemple sur le dessin annexé et est décrite en détail ci-après à l'aide du dessin. La Figure 1 du dessin montre en coupe longitudinale la pointe d'une pale de rotor dans une réalisation conforme à l'invention. La Figure 2 montre schématiquement la torsion de pale à la pointe d'une pale de rotor réalisée conformément à l'invention et en outre la construction de principe d'un concept de réglage possible. La pale de rotor 2 représentée sur la Figure 1 avec la zone de sa pointe de pale comporte dans la région représentée à droite à partir du rayon une construction usuelle avec un support de longeron 4 renforcé par des fibres unidirectionnelles pour être résistant en flexion et en traction, et une peau 6 résistante en torsion, reliée solidement au longeron. Dans la zone de la pointe de pale, entre les rayons r et R, la peau de torsion 6 est découplée du support de longeron. Elle peut, dans ce but, être réalisée en étant posée libre sur le longeron de pale de rotor. Mais il est également possible de disposer dans cette zone entre la peau de torsion et le longeron de pale de rotor une couche intermédiaire non rigide en cisaillement par laquelle la peau de torsion est maintenue dans sa position sur le longeron de pale de rotor et qui peut servir simultanément comme support d'enroulement lors du bobinage de la peau de torsion. Dans la zone r-R la peau de torsion 6 est réalisée anisotrope pour l'obtention d'un couplage traction- rotation par un bobinage supplémentaire avec une direction d'enroulement. Ainsi une force normale agissant en direction longitudinale de la pale de rotor sur la pointe de la pale en direction de la racine de pale entraîne, dans cette zone, une torsion de la peau de torsion sur le longeron de pale de rotor. Par cette torsion les conditions d'écoulement au bord d'attaque sont modifiées et par cette modification les grandeurs perturbatrices, comme elles résultent par exemple des oscillations de force aérodynamique, des mouvements de pale, des tourbillons et analogues, se laissent influencer. Pour éviter des sauts de rigidité, une transition continue est nécessaire par une adaptation progressive de l'angle d'enroulement du bobinage supplémentaire, dans la zone de transition entre la peau de torsion fixée au longeron et la zone rotative de la peau de torsion, depuis le bobinage anisotrope de la peau de torsion dans la zone de la pointe de pale jusqu'au bobinage de la peau de torsion situé dans la zone de pale de rotor se trouvant radialement vers l'intérieur du bobinage anisotrope. L'angle d'enroulement du bobinage supplémentaire anisotrope dépend de la force qui peut être appliquée par l'actionneur choisi et de la course qui peut être exécutée avec l'actionneur. L'angle d'enroulement est à choisir d'autant plus petit que la course est faible pour une force importante. Ainsi cet angle peut par exemple être de l'ordre de grandeur de 18 par rapport à l'axe longitudinal de la pale de rotor lors de l'utilisation d'un actionneur piézo qui est capable d'appliquer des forces importantes pour de faibles variations de longueur. Pour un actionneur avec des forces réduites mais des variations de longueur importantes, le bobinage supplémentaire anisotrope peut par exemple être disposé avec un angle de l'ordre de grandeur de 40 par rapport à l'axe de la pale de rotor. Le bobinage supplémentaire peut être disposé au-dessous mais également au-dessus du bobinage à + 45 de la peau de torsion. Une torsion de la peau de torsion 6 dans la zone de la pointe de pale et ainsi une modification de l'angle d'écoulement du bord d'attaque est produite, dans la forme d'exécution selon Fig. 1, par un actionneur 8 engendrant des forces de compression dans la direction longitudinale de la pale de rotor. Cet actionneur peut être par exemple un actionneur piézo, un actionneur à magnétostriction, mais aussi un actionneur de réalisation hybride avec une combinaison des différentes formes d'actionneurs. L'actionneur est amarré du côté éloigné de la pointe de pale d'une paroi d'appui 10 disposée sur le longeron, et est fixé axialement. Une plaque d'ancrage 12 est disposée à la pointe de la pale de rotor, laquelle plaque d'ancrage est frontalement en appui contre l'extrémité de la peau de torsion anisotrope et est en outre reliée fermement à l'extrémité de la peau de torsion enroulée de manière anisotrope. Entre I'actionneur 8 et la plaque 12 est disposé un cordon de traction 14 en fibres à haute résistance, et à faible allongement qui est fixé par l'une de ses extrémités à l'extrémité de l'actionneur 8 éloignée de la pointe de pale et est relié fermement à la plaque d'ancrage 12 par son autre extrémité. Par une modification de longueur de l'actionneur 8, une force de compression est transmise par l'élément de traction 14 et la plaque d'ancrage 1 2 à la face frontale de la peau de torsion, laquelle force fait naître une torsion du profil de pale de rotor - angle a -dépendant de l'anisotropie du bobinage de torsion, comme schématiquement représenté sur Fig.2. Une augmentation de la longueur de l'actionneur 8 aura pour effet de produire une torsion de pale dans un sens +oc et une diminution de la longueur de l'actionneur, une torsion de pale dans l'autre sens -cc. Pour pouvoir exécuter le mouvement produisant la torsion, une distance a est à prévoir entre la plaque d'ancrage 1 2 et le bord frontal 1 6 de la traverse. Par un raccourcissement de l'actionneur, les forces centrifuges agissant sur la pointe de la pale peuvent intervenir dans le sens d'une torsion avec un angle de torsion opposé. La section enroulée de manière anisotrope de la peau de torsion est déformée élastiquement par la force de compression introduite. Les forces ainsi induites dans la peau de torsion peuvent être utilisées comme forces de rappel. En plus, les forces centrifuges peuvent aussi être utilisées pour la 1o rotation inverse de la peau de torsion. Ainsi une masse 18 peut être fixée à la plaque d'ancrage 12 qui peut être réalisée en tant que masse elle-même produisant une force centrifuge, cette masse agissant sur la peau de torsion anisotrope par la plaque d'ancrage, qui dans ce cas est à relier de manière fixe en translation à l'extrémité de la peau de torsion anisotrope. Pour cela on peut utiliser les masses placées de toute façon de diverses manières à l'extrémité des pales de rotor, par exemple les masses d' éléments de construction. Par un raccourcissement de l'actionneur 8, la section de la peau de torsion bobinée de manière anisotrope peut être sollicitée en traction, du fait de la masse 18, par la force centrifuge ce qui fait naître une torsion opposée du profil de pale de rotor -angle ax-dépendant de l'anisotropie du bobinage de torsion. En tant qu'actionneurs, ceux qui peuvent être commandés électriquement sont retenus de préférence pour une telle utilisation. Dans ce cas on a seulement besoin d'installer des conducteurs électriques sur la longueur de la pale de rotor, de la racine de pale de rotor jusqu'à l'actionneur. Lors de l'utilisation d'actionneurs commandés électriquement, la variation de l'angle d'incidence du profil dans la zone de la pointe de pale peut être modifiée de manière simple en fonction du courant ou de la tension. 3 o Sur Fig.2 est montrée une partie de pale de rotor d'un rotor admettant l'axe de rotation 20. Sur la pale de rotor les sollicitations en flexion peuvent être captées de manière connue par des bandes de mesure d'allongement, sollicitations qui, entre autres, sont influencées par les oscillations des forces aérodynamiques mais aussi par les vibrations de pales de rotor. Dans une structure qui est entraînée par le rotor, par exemple dans un hélicoptère, on dispose de sources de référence pour la position des pales de rotor relativement à l'axe longitudinal du fuselage, par exemple à la tête de rotor ou à l'entraînement. Une autre source de référence est constituée par exemple par la position du plateau oscillant commandant les mouvements de rotation des pales. l0 Ainsi on peut produire à l'aide des pointes de pales de rotor réalisées selon l'invention, par une variation de l'angle d'incidence (torsion de pale réglable), des forces aérodynamiques supplémentaires qui modifient les lois de mouvement aéroélastiques. L'influence, liée à cela, des mouvements de pale dynamiques du rotor (mouvements de battement, d'oscillation et de torsion) permet ainsi une variation souhaitée de l'angle d'incidence effectif, lequel se compose de l'angle d'incidence géométrique ( angle d'incidence provenant: du réglage de pale collectif, du réglage de pale cyclique et de la torsion de pale réglable) et d'un angle d'incidence induit par les mouvements de pale. Cette influence de la dynamique de rotor permet par des capteurs prévus pour les forces agissant sur les pales de rotor, les prises d'influence suivantes: 1. un contrôle des instabilités aéroélastiques (par réglage), 2. une influence souhaitée des forces aérodynamiques pour compenser directement (par réglage) les perturbations induites par le champ d'écoulement et 3. une influence des mouvements de pale dynamiques du rotor, avec le but d'éviter (par réglage) des effets d'écoulement locaux comme par exemple le détachement de courant pour une pale en mouvement rétrograde. Il est essentiel que les grandeurs de réglage conformes aux exigences respectives puissent être rapidement converties en torsions de pale nécessaires. Sur Fig.2 la commande correspondante est représentée purement schématiquement. Un régulateur 30 est influencé par la pale de rotor 2 d'axe de rotation 20 suivant la flèche 31, et même par des grandeurs de perturbation et des grandeurs de réglage, par exemple les fluctuations de forces aérodynamiques, les mouvements de pales et autres. Le régulateur 30 est en outre influencé par les sources de référence 32, par exemple la tête de rotor, I'entraînement et autres, ce qui est indiqué par la flèche 33, qui symbolise les grandeurs de référence. De son côté, le régulateur 30 influence maintenant la force de I'actionneur par les grandeurs de réglage - ce qui est indiqué par la flèche 34 Au moyen d'autres grandeurs de réglage, le régulateur 30 influence toutefois également les sources de référence 32 - ce qui est indiqué par la flèche 35. REVENDICATIONS 1. Pale de rotor en résine synthétique renforcée par fibres, dont le profil est réalisé au moins dans la zone de la pointe de pale de manière à pouvoir subir une torsion autour de l'axe longitudinal de la pale de rotor par des actionneurs, caractérisée par le fait que la peau de torsion (6) de la pale de rotor (2) dans la zone de la pointe de pale (r- R) est réalisée de manière anisotrope pour créer un couplage traction- rotation et qu'un actionneur (8) pouvant être commandé, agissant sur la pointe de pale de rotor dans la direction longitudinale de la pale de rotor, est disposé dans le longeron (4) de pale de rotor. 2. Pale de rotor selon la revendication 1, caractérisée par le fait que pour obtenir l'anisotropie de la peau de torsion (6) un bobinage unilatéral est prévu avec un angle d'enroulement par rapport à l'axe longitudinal de pale de rotor qui est plus petit que 45 et dépend du rapport course-force de I ' actionneur. 3. Pale de rotor selon le revendication 1, caractérisée par le fait que dans la zone de la pointe de pale (r-R) la peau de torsion réalisée de manière anisotrope (6) est disposée libre sur le longeron de pale de rotor (4). 4. Pale de rotor selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'une couche intermédiaire non rigide au cisaillement est disposée entre la peau de torsion (6) et le longeron de pale de rotor (4). 5. Pale de rotor selon la revendication 4, caractérisée par le fait que l'actionneur (8) est agencé et disposé de telle sorte que sur la face frontale de la pointe de pale de rotor une force normale commandée puisse être exercée dans la direction longitudinale de la pale. 6. Pale de rotor selon la revendication 5, caractérisée par le fait que l'actionneur (8) est placé en appui dans la pale de rotor (2) de telle sorte que sa longueur soit réglable et qu'il soit relié, par un moyen (14) transmettant une force de traction, à la face frontale de la peau de torsion (16) à la pointe de pale. 7. Pale de rotor selon la revendication 6, caractérisée par le fait que l'actionneur (8) peut produire par une augmentation de sa longueur une torsion de pale dans un sens (+ ax) et par une diminution de sa longueur une torsion de pale dans l'autre sens (- cc). 8. Pale de rotor selon le revendication 7, caractérisée par le fait que les forces nécessaires pour la torsion de pale dans un sens sont produites par les forces d'actionneur et que les forces nécessaires pour la torsion de pale dans l'autre sens sont produites par la force centrifuge. 9. Pale de rotor selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'un cordon (14) en fibres à haute résistance et à faible allongement est prévu comme moyen transmettant la force de traction, lequel cordon est relié à une plaque d'ancrage (12) placée frontalement contre la pointe de pale de rotor, laquelle plaque est en appui frontal contre l'extrémité de la peau de torsion anisotrope et est reliée fermement à celle-ci. 10. Pale de rotor selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la plaque d'ancrage (12) est réalisée en tant que masse (18) produisant une force centrifuge. 11. Pale de rotor selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un actionneur piézo est prévu en tant qu'actionneur (8). 12. Pale de rotor selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un actionneur à magnétostriction est prévu comme actionneur (8). 13. Pale de rotor selon la revendication 1, caractérisée par le fait que sont prévus des moyens de commande des actionneurs produisant la torsion de la peau de torsion, en fonction de la position de pale de rotor dans un système avec un rotor comportant au moins une pale de rotor. 14. Pale de rotor selon la revendication 13, caractérisée par le fait que le système est un engin à voilure tournante. i 5. Pale de rotor selon la revendication 14, caractérisée par le fait que des capteurs sont prévus pour les forces agissant sur les pales de rotor, et qu'un circuit de régulation est prévu avec lequel peut être commandée la variation des conditions d'écoulement par torsion du profil en fonction des forces agissant sur les pales de rotor et de la position des pales de rotor relativement au fuselage de l'engin à voilure tournante.