Brevet FR3005684A1 — publié le 20141121

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des hélices aériennes, et plus particulièrement un pivot de pale d'hélice. On entend « hélice aérienne », dans le présent contexte, dans un sens large couvrant tout dispositif comprenant au moins une pale profilée apte à tourner autour d'un axe propulsif pour accélérer une masse d'air en direction de cet axe propulsif afin de générer, par réaction, une poussée en sens opposé. Ceci comprend donc, entre autres, les hélices d'aviation conventionnelles, ainsi que les soufflantes de turboréacteur, y compris les soufflantes non carénées (en anglais « open rotor »). Typiquement, de telles soufflantes non carénées comprennent deux hélices contrarotatives à pas variable. Typiquement, une hélice à pas variable comprend, à la base de chaque pale, un pivot permettant la rotation de la pale autour de son axe longitudinal. Ce pivot peut être intégré au pied de pale ou être détachable de la pale, ce qui facilite le remplacement des pales et permet de réduire les coûts de réparation et d'entretien. Idéalement, les hélices à pas variable comprennent des dispositifs assurant automatiquement leur mise et maintien en drapeau en cas d'arrêt moteur. En particulier, quand les pales sont mises en drapeau, le vent relatif peut néanmoins exercer, sur chaque pale, un couple aérodynamique autour de son axe longitudinal. Afin de contrer ce couple aérodynamique et maintenir l'orientation des pales en drapeau, l'un des dispositifs les plus simples connus de la personne du métier comprend une masselotte au bout d'un bras de levier s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal, perpendiculairement à l'extrados et/ou à l'intrados de la pale. La force centrifuge exercée sur chaque masselotte par la rotation de l'hélice assure le maintien de l'orientation de la pale en drapeau. Pour limiter leur encombrement, ces masselottes et bras de levier son typiquement intégrés dans le pivot de chaque pale. Le brevet français FR 2957329 divulguait un turboréacteur à soufflante non-carénée avec deux hélices contrarotatives, dans lesquelles le pivot de chaque pale comprend un dispositif de ce type pour la mise et maintien en drapeau des pales. Les hélices aériennes, et plus particulièrement les hélices de soufflantes non-carénées, qui sont normalement entraînées par des turbines libres du turboréacteur, peuvent tourner à des vitesses très élevées, ce qui génère d'importants efforts de traction au niveau du pivot. Les pivots, typiquement métalliques, dimensionnés en fonction de ces charges ont en conséquence une masse considérable. Objet et résumé de l'invention La présente description vise à réduire la masse des pivots de pale d'hélice, et en particulier d'un pivot de pale d'hélice comportant au moins une partie proximale apte à être retenue dans un orifice radial d'un moyeu d'hélice tout en permettant sa rotation dans cet orifice autour d'un axe longitudinal du pivot, et une partie distale comprenant un réceptacle apte à retenir un pied de pale, ainsi qu'au moins un bras s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal et soutenant une masselotte. Dans au moins un mode de réalisation, le but d'obtenir un pivot à masse comparativement réduite est obtenu grâce au fait qu'au moins ladite partie proximale est métallique, tandis qu'au moins ledit bras est en matériau composite à matrice organique. Comme ce bras est principalement sollicité en flexion lors du fonctionnement de l'hélice, l'usage de matériaux composites à matrice organique pour cet organe permet d'obtenir une importante réduction de la masse pour des propriétés mécaniques comparables ou meilleures. Afin d'assurer la reprise des efforts dans la connexion au pied de pale et d'éviter les pointes d'efforts dans le matériau composite, pointes qui peuvent donner notamment lieu à des phénomènes de délamination, ledit réceptacle apte à recevoir le pied de pale est métallique. Suivant une première alternative, ce réceptacle peut être formé dans un insert métallique intégré dans la partie distale du pivot. En particulier, cet insert métallique peut être intégré dans une préforme de la partie distale du pivot avant la cuisson d'une résine thermodurcissable imprégnant cette préforme pour former la matrice d'un composite à matrice organique. Alternativement toutefois, il est aussi envisageable d'intégrer l'insert métallique à la partie distale du pivot après la cuisson de cette résine. Afin de transmettre les efforts entre les parties proximale et distale du pivot, celles-ci peuvent être jointes, par exemple, par collage ou par une connexion boulonnée. Suivant une deuxième alternative, ce réceptacle peut être formé dans une prolongation métallique de la partie proximale du pivot, de manière à faciliter la transmission des efforts en traction à travers le pivot. En particulier, cette prolongation métallique peut traverser la partie distale du pivot, facilitant ainsi l'intégration des parties distale et proximale. Pour mieux retenir la partie distale du pivot contre les forces centrifuges lors de la rotation de l'hélice, la prolongation métallique de la partie proximale du pivot peut présenter une section longitudinale divergente en direction d'une extrémité distale du pivot, reprenant ainsi ces efforts centrifuges par verrouillage de forme. Le réceptacle destiné à recevoir le pied de pale peut être en forme de rainure à section alvéolée orientée dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'au moins un bras. Ainsi, le pied de pale, présentant une section complémentaire à la section alvéolée de cette rainure, peut être facilement introduit ou extrait du réceptacle suivant la direction de cette rainure, la section alvéolée de la rainure assurant la rétention de la pale contre les forces centrifuges lors de la rotation de l'hélice. Le pivot peut en outre comprendre des verrous libérables permettant de bloquer le pied de pale dans la rainure après son insertion. Le pivot peut comprendre deux bras opposés s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal et soutenant chacun une masselotte. En distribuant les masselottes entre deux bras opposés, on peut diminuer sensiblement la charge en flexion de chaque bras, ce qui permet de réduire la masse totale. L'invention concerne également une hélice à pas variable comportant un moyeu, une pluralité de tels pivots reçus radialement dans le moyeu, et une pale fixée sur chaque pivot, ainsi qu'une soufflante, et en particulier une soufflante non-carénée, comprenant au moins une telle hélice. Cette soufflante peut notamment comprendre deux hélices contrarotatives, chacune avec de tels pivots. Par ailleurs, l'invention se rapporte aussi à un turboréacteur avec une telle soufflante, ainsi qu'à un aéronef propulsé par au moins un tel turboréacteur. Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représenté à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un aéronef propulsé par des turboréacteurs à soufflante non-carénée ; - les figures 2A et 2B sont des vues en coupe longitudinale schématique de deux variantes de turboréacteur à soufflante non carénée avec deux hélices contrarotatives à pas variable ; - la figure 3 illustre schématiquement le fonctionnement d'un pivot comportant des masselottes pour maintenir en drapeau une pale d'hélice à pas variable contre un couple aérodynamique provoqué par le vent relatif ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un pivot de pale d'hélice à pas variable suivant un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale du pivot de la figure 3 suivant le plan V-V ; - la figure 6 illustre une étape d'assemblage du pivot de la figure 3 ; - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un pivot de pale d'hélice à pas variable suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une vue latérale d'un pivot de pale d'hélice à pas variable suivant un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 est une vue en perspective éclatée d'un pivot de pale d'hélice à pas variable suivant un quatrième mode de réalisation ; - la figure 10 illustre une première étape d'assemblage du pivot de la figure 9 ; - la figure 11 illustre une deuxième étape d'assemblage du pivot de la figure 9 ; et - la figure 12 illustre une troisième étape d'assemblage du pivot de la figure 9.35 Description détaillée de l'invention Les turboréacteurs à soufflante non carénée, connus aussi comme « Open Rotor », présentent un grand intérêt pour la propulsion d'aéronefs grâce à leur grand rendement thermopropulsif. La figure 1 illustre un aéronef 1 avec deux turboréacteurs 2 à soufflantes non carénées 3 en position « pousseur ». Comme illustré sur les figures 2A et 2B, un tel turboréacteur 2 à soufflante non carénée 3 comprend un générateur de gaz 4 et une soufflante non carénée 3 couplée à une turbine basse pression 5 en aval du générateur de gaz 4. Dans les deux exemples illustrés, le générateur de gaz 4 comprend un premier étage de compresseur 6, un deuxième étage de compresseur 7, une chambre de combustion 8, un premier étage de turbine haute pression 9, et un deuxième étage de turbine haute pression 10. Le premier étage de compresseur 6 et le deuxième étage de turbine haute pression 10 sont couplés en rotation par un premier arbre 11, tandis que le deuxième étage de compresseur 7 et le premier étage de turbine haute pression 9 sont couplés en rotation par un deuxième arbre 12, concentrique et coaxial par rapport au premier arbre 11. Ainsi, en fonctionnement, l'air entrant par une entrée en amont du premier étage de compresseur 6 est compressé successivement dans les premier et deuxième étages de compresseur 6, 7 avant d'arriver à la chambre de combustion 8, dans laquelle du combustible y est injecté et brûlé. Les gaz chauds résultant de cette combustion sont ensuite détendus dans, successivement, les premier et deuxième étages de turbine haute pression 9,10 pour ainsi entraîner les étages de compresseur 6,7. Grâce à l'énergie thermique introduite dans ces gaz par la combustion, les gaz de combustion restent néanmoins assez énergétiques en aval du deuxième étage de turbine haute pression 10 pour actionner la turbine basse pression 5 entraînant la soufflante non carénée 3. Les figures 2A et 2B illustrent deux arrangements alternatifs pour l'entraînement de la soufflante non carénée 3. Dans les deux arrangements, cette soufflante non carénée 3 comprend deux hélices 3a, 3b contrarotatives et coaxiales. Toutefois, dans la première variante, illustrée sur la fig. 2A, les deux hélices 3a, 3b sont couplées à travers une même boîte réductrice 13 à au moins un étage 5a de la turbine basse pression 5, tandis que dans la deuxième variante, illustrée sur la fig. 2B, les deux hélices 3a, 3b sont entraînées directement par des étages séparés de la turbine basse pression 5, et ne sont pas couplées entre elles. Dans les deux cas, les hélices 3a, 3b peuvent normalement atteindre des vitesses de rotation élevées, générant ainsi des efforts centrifuges importants au niveau notamment du pied de chaque pale des hélices 3a, 3b. Dans les deux variantes illustrées, les hélices 3a, 3b sont à pas variable, c'est-à-dire que chaque pale peut pivoter autour d'un axe longitudinal afin d'adapter l'orientation du bord d'attaque de la pale au régime moteur et/ou aux commandes du pilote. Pour cela, chaque pale 14 est montée sur un pivot 15, comme illustré sur la figure 3. En particulier en cas de panne moteur, il est avantageux que la pale 14 soit mise en drapeau, c'est-à-dire avec un angle d'attaque sensiblement nul par rapport au vent relatif vr. On peut ainsi empêcher que le vent relatif fasse tourner l'hélice, ce qui provoque une traînée supplémentaire et peut même causer une survitesse de l'hélice avec des conséquences négatives pour l'intégrité structurelle de l'ensemble du turboréacteur 1. Il est particulièrement souhaitable que chaque hélice 3a, 3b comporte des moyens passifs pour maintenir chaque pale 14 en drapeau même en cas de défaillance des dispositifs d'actionnement du pas d'hélice, dispositifs typiquement hydrauliques ou électriques. En effet, le centre de poussée L de chaque pale 14 peut être décalé par rapport à l'axe de pivotement Z du pivot 15, générant ainsi un couple aérodynamique Ma tendant à pivoter la pale 14. De plus, un couple inertiel Mi est engendré aussi, du fait du déport du centre de gravité G de la pale 14 par rapport à l'axe de pivotement Z. Pour contrer ces couples Ma, et Mi et maintenir la pale 14 en drapeau, des masselottes 16 sont suspendues de bras 17 s'étendant latéralement par rapport à l'axe de pivotement Z. L'orientation de ces bras 17 est sensiblement perpendiculaire à l'intrados et à l'extrados de la pale 14, de telle manière que, quand l'hélice 3a, 3b tourne autour de son axe de rotation X, les forces centrifuges Fc s'exerçant sur les masselottes 16 auront tendance à aligner la direction principale Y' des bras 17 avec une direction tangentielle Y de l'hélice 3a,3b, contrant ainsi les couples aérodynamique et inertiel Ma et Mi et réalignant la pale avec la direction du vent relatif vr. La figure 4 illustre un pivot 15 de pale d'hélice suivant un premier mode de réalisation de l'invention. Ce pivot 15 comprend une partie proximale 15a et une partie distale 15b. La partie proximale 15a est métallique. Plus spécifiquement, dans l'exemple illustré, cette partie proximale 15a est en alliage métallique léger. Elle présente une forme sensiblement axisymétrique avec des épaulements radiaux, de manière à permettre son insertion dans un orifice radial d'un moyeu d'hélice, et sa rétention dans cet orifice tout en permettant la rotation du pivot 15, par rapport à cet orifice, autour de l'axe de pivotement Z. Dans ce premier mode de réalisation, la partie distale 15b du pivot comprend une prolongation métallique 18 de la partie proximale 15a. Cette prolongation 18 est formée d'un seul tenant avec la partie proximale 15a et est reçue dans un orifice central traversant une pièce 19 en matériau composite à matrice organique. Cette pièce composite 19 15 comprend les bras 17 aux extrémités desquels sont montées les masselottes 16. Le matériau composite à matrice organique de cette pièce 19 comprend des fibres noyées dans une matrice organique, et plus spécifiquement polymérique. Ces fibres peuvent notamment être des fibres de carbone, quoique d'autres types de fibres, comme par exemple les fibres de verre, les fibres de polyamide, ou celles de polyéthylène, peuvent également être envisagées. Ces fibres peuvent être arrangées par couches unidirectionelles ou tissées en deux dimensions et stratifiées, ou alternativement être tissées en trois dimensions. Afin de mieux reprendre les efforts en flexion au niveau des bras 17, ces fibres peuvent être principalement orientées suivant la direction des bras 17, au moins à proximité des faces inférieures 17a des bras 17. Ces fibres sont noyées dans une matrice organique, plus spécifiquement polymérique, qui peut notamment être formée par une résine thermodurcissable, telle qu'une résine d'époxy, ou d'autres résines thermodurcissables mieux adaptées aux hautes températures. Cette pièce composite 19 peut être formée par moulage par transfert de résine ou en stratifiant des couches de fibres préimpregnées de résine. Comme on peut voir sur la figure 4, la prolongation métallique 18 de la partie proximale 15a du pivot 15 affleure à l'extrémité distale du pivot 15. Elle y présente un réceptacle 20 en forme de rainure à section transversale alvéolée, orientée suivant une direction X' sensiblement perpendiculaire à l'axe de pivotement Z et à la direction principale Y' des bras 17, et destinée à recevoir le pied de la pale 14 (en pointillé). Après son introduction dans ce réceptacle 20 suivant la direction X' de la rainure, le pied de pale peut être bloqué dans cette direction par des verrous transversaux (non illustrés) dans ce réceptacle 20. La section alvéolée du réceptacle 20 assure la reprise des efforts centrifuges exercés sur la pale 14 suivant la direction de l'axe de pivotement Z, tout en couplant la pale 14 au pivot 15 en rotation autour de cet axe de pivotement Z. La prolongation métallique 18 présente deux protubérances latérales 21 dans la direction principale Y' des bras 17. Ces deux protubérances 21 opposées ont une telle forme que ladite prolongation métallique 18 présente, dans le plan V-V illustré sur la figure 5, une section longitudinale divergente en direction de l'extrémité distale du pivot 15. Ainsi, ces protubérances latérales 21 forment des épaulements pouvant reprendre par verrouillage de forme les forces centrifuges suivant la direction de l'axe de pivotement Z qui sont transmises par les bras 17 lors de la rotation de l'hélice 3a,3b. La figure 6 illustre l'assemblage de la pièce composite 19 avec la partie proximale 15a du pivot 15 et sa prolongation métallique 18 pour former le pivot 15 suivant ce premier mode de réalisation. Dans cette étape d'assemblage, la partie proximale 15a du pivot 15 est introduite à travers l'orifice 22 dans la pièce composite 19 jusqu'à ce que les protubérances latérales 21 de la prolongation métallique 18 prennent appui contre des surfaces intérieures complémentaires de l'orifice 22. Une couche d'adhésif entre les surfaces extérieures de la prolongation métallique 18 et les surfaces intérieures de l'orifice 22 assurent l'adhésion entre la prolongation métallique 18 et la pièce composite 19. La figure 7 illustre un deuxième mode de réalisation dans lequel la partie proximale 15a du pivot 15 ne présente pas de prolongation métallique traversant la partie supérieure 15b. Ce mode de réalisation présente aussi un réceptacle 20 en forme de rainure à section transversale alvéolée, orientée suivant une direction X' sensiblement perpendiculaire à l'axe de pivotement Z et à la direction principale Y' des bras 17, et destinée à recevoir le pied de la pale 14. Toutefois, ce réceptacle 20 est formé dans un insert métallique 23 intégré dans la pièce composite 19, sans contact direct avec la partie inférieure 15a du pivot. Les éléments restants de ce pivot 15 sont néanmoins analogues à ceux du premier mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence dans le dessin. Dans ce deuxième mode de réalisation, la partie proximale métallique 15a du pivot 15 et la pièce composite 19 sont jointes par collage. La figure 8 illustre un troisième mode de réalisation similaire au deuxième, mais dans lequel la partie proximale 15a du pivot 15 et la pièce composite 19 sont jointes par une connexion boulonnée 24 formée par une plaque 25 prenant appui sur l'extrémité distale du pivot 15, et des boulons 26 reliant cette plaque 25 à la partie proximale métallique 15a. Les éléments restants de ce pivot 15 sont néanmoins analogues à ceux du deuxième mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence dans le dessin. La figure 9 illustre un quatrième mode de réalisation dans lequel la partie proximale 15a du pivot 15 présente, comme dans le premier mode de réalisation, une prolongation métallique 18 traversant une pièce composite 19 dans la partie distale 15b. Toutefois, dans ce quatrième mode de réalisation, le réceptacle 20 destiné à recevoir le pied de la pale 14 n'est pas formé directement dans cette prolongation métallique 18, mais dans un insert métallique 23 similaire à ceux des deuxième et troisième modes de réalisation. En outre, dans ce quatrième mode de réalisation, cet insert métallique 23 contribue, avec des boulons 32 et 33, à assurer la liaison mécanique entre la partie proximale 15a, avec sa prolongation mécanique 18, et la pièce composite 19 de la partie distale 15b du pivot 15. En effet, cette pièce composite 19 est reçue dans une concavité de la prolongation métallique 18 ouverte en direction distale. Les surfaces de contact entre la prolongation métallique 18 et la pièce composite 19 présentent une forme propre à assurer un blocage de forme entre les deux dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de pivotement Z. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré, des épaulements 27 bloquent la pièce composite 19 par rapport à la prolongation métallique 18 dans la direction principale Y' des bras 17, tandis que d'autres épaulements perpendiculaires 28 bloquent la pièce composite 19 par rapport à la prolongation métallique 18 dans la direction principale X de la rainure du réceptacle 20. Des surfaces internes 29, 30 de, respectivement, la prolongation métallique 18 et la pièce composite 19 forment ensemble une gorge 31 à section transversale alvéolaire recevant l'insert métallique 23, qui présente une section transversale complémentaire de celle de la gorge 31 et forme ainsi entre les deux un verrou assurant un blocage de forme dans la direction de l'axe de pivotement Z. Pour cela, ces surfaces 29, 30 sont sensiblement alignées entre elles dans la direction X', et séparées par un plan perpendiculaire ou oblique à cette même direction X'. Des boulons 32, 33 complètent finalement la connexion entre la prolongation métallique 18, la pièce composite 19 et l'insert 23. Les premiers boulons 32 relient directement l'insert 23 à la prolongation métallique 18 à l'extérieur des épaulements 28, tandis que les deuxièmes boulons 33 relient l'insert 23 à la partie proximale 15a à travers des orifices traversants dans la pièce composite 19, entre les épaulements 28. Les éléments restants dans la figure 9 correspondent à des éléments analogues des modes de réalisation 15 précédents et reçoivent en conséquence les mêmes chiffres de référence. La figure 10 illustre une première étape dans l'assemblage du pivot 15 suivant ce quatrième mode de réalisation. Dans cette première étape, la pièce composite 19, dont les fibres peuvent principalement être orientées suivant la direction principale Y' des bras 17, est reçue dans la 20 concavité dans l'extrémité distale de la prolongation métallique 18 et bloquée dans le plan perpendiculaire à l'axe de pivotement Z par les épaulements 27,28. Ensuite, dans une deuxième étape illustrée sur la figure 11, l'insert 23 est glissé, suivant la direction X', dans la gorge 31. La forme alvéolaire de la section transversale de cette gorge 31 assure alors 25 le blocage de forme, dans la direction de l'axe de pivotement Z, entre l'insert 23 et chacune des surfaces 29, 30 formant cette gorge 31. Finalement, dans une troisième étape illustrée sur la figure 12, les boulons 32, 33 sont insérés et vissés dans les orifices correspondants, de manière à retenir l'insert 23 dans la gorge 31. 30 Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents 35 modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.5 REVENDICATIONS1. Pivot (15) de pale (14) d'hélice (3a,3b), comportant au moins : une partie proximale (15a) apte à être retenue dans un orifice radial d'un moyeu d'hélice tout en pouvant tourner dans cet orifice autour d'un axe longitudinal (Z) du pivot (15) ; et une partie distale (15b) comprenant un réceptacle (20) apte à retenir un pied de pale, et au moins un bras (17) s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal (Z) et soutenant une masselotte (16) ; le pivot (15) étant caractérisé en ce qu'au moins ladite partie proximale est métallique, tandis qu'au moins ledit bras (17) est en matériau composite à matrice organique. 2. Pivot (15) suivant la revendication 1, dans lequel ledit réceptacle (20) est métallique. 3. Pivot (15) suivant la revendication 2, dans ledit réceptacle (20) est formé dans un insert métallique (23) intégré dans la partie distale (15b) du pivot (15). 4. Pivot (15) suivant la revendication 3, dans lequel lesdites parties proximale et distale (15a,15b) sont jointes par collage. 5. Pivot (15) suivant la revendication 3, dans lequel lesdites parties proximale et distale (15a,15b) sont jointes par une connexion boulonnée (24). 6. Pivot (15) suivant la revendication 2, ledit réceptacle (20) est formé dans une prolongation métallique (19) de la partie proximale (15a) du pivot (15). 7. Pivot (15) suivant la revendication 6, dans lequel ladite prolongation métallique (19) de la partie proximale (15a) du pivot (15) traverse la partie distale (15b) du pivot (15). 8. Pivot (15) suivant la revendication 7, dans lequel ladite prolongation métallique (19) de la partie proximale (15a) du pivot (15) présente une section longitudinale divergente en direction d'une extrémité distale du pivot (15). 9. Pivot (15) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit réceptacle (20) est en forme de rainure à section alvéolée orientée dans une direction sensiblement perpendiculaire audit au moins un bras (17). 10. Pivot (15) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite partie distale (15b) comprend deux bras opposés (17) s'étendant latéralement par rapport audit axe longitudinal (Z) et soutenant chacun une masselotte (16).5