Brevet FR3031958A1 — publié le 20160729

Hélice à géométrie variable Domaine d'application L'invention est une hélice à géométrie variable, pouvant passer d'une première configuration dans laquelle elle est adaptée à un déplacement d'un premier type, par exemple à faible vitesse à 5 une seconde configuration dans laquelle elle est adaptée à un déplacement d'un second type, par exemple à plus grande vitesse. On entend ci-avant par configuration d'une hélice l'ensemble de ses paramètres dont le diamètre, la longueur des pales, leur forme (en plan en profil), le nombre de pales en fonctionnement, et la vitesse de rotation. 10 Problème posé L'un des objectifs poursuivis par la présente invention est de réaliser des hélices qui soient aussi bien adaptées à un déplacement à basse vitesse lorsque les pales sont déployées, qu'à un déplacement rapide avec les pales sont rentrées. Pour un avion, cela correspond par exemple à un décollage vertical lorsque les pales sont 15 déployées, et à un vol horizontal à grande vitesse lorsqu'elles sont rentrées, parce qu'un grand diamètre associé à un faible pas favorise la traction alors qu'un petit diamètre avec un pas élevé favorise la vitesse. Art antérieur De nombreuses méthodes sont connues pour faire varier les caractéristiques d'une hélice. On 20 connait en particulier / CN102001430 (A) Variable-diameter propeller - HAN HU SHENG HUANG / EP2275343 (Al) Variable-pitch propeller - BIANCHI MASSIMILIANO [IT] / US2010040469 (A1) Variable-pitch propeller - BIANCHI MASSIMILIANO [IT] / US2007286728 (Al) Rotatable blade apparatus with individually adjustable blades - 25 HOTTO ROBERT [US] / W02008075187 (A2) Variable-pitch propeller - BIANCHI MASSIMILIANO [IT] / US2134660 (A) Adjustable propeller - EVERTS WALTER W / US2504737 (A) Self-operating pitch changing propeller and control therefor - SHARPES ROY E 30 V US3565544 (A) Marine Propeller - MARSHALL DON J / US4744727 (A) Controllable pitch propeller and watercraft drive - MULLER PETER [CH] / US5252028 (A) Marine propeller assembly with shock absorbing hub and easily replaceable propeller housing - LOBOSCO SAM [US] et LOBOSCO JOHN [US] Et surtout US5562413A Variable Propeller for boats, de TAKO AIHARA & Al, le document qui 35 se rapproche le plus de la présente invention. 3031958 2 Description sommaire des dessins L'invention sera bien comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, laquelle est illustrée par les figures 1 à 9, qui représentent toutes des hélices selon l'invention. La figure 1 représente deux avions identiques munis chacun de deux hélices contrarotatives selon l'invention. L'avion de gauche est en mode de décollage ou atterrissage vertical, avec ses deux hélices dont les pales sont en position dite déployée, tandis que celui de droite est en mode de vol horizontal, avec ses pales en position dite rentrée. Une seule hélice est visible sur l'avion de droite, parce que les pales de l'hélice arrière se rétractent complètement dans le fuselage en position rentrée. Les figures 2 et 3 représentent la même hélice selon l'invention, les pales étant en position dite déployée à la figure 2 et en position dite rentrée à la figure 3. On peut constater que seules les parties externes 312, 322 et suivantes des pales, respectivement 31, 32 et suivantes, débordent d'un cylindre de rayon égal au rayon extérieur dudit moyeu 10. La figure 4 représente une hélice selon l'invention dont les pales 31, 32 et suivantes sont en position dite rentrée. On voit que ces pales ne sont pas dans un plan unique pour pouvoir se superposer dans cette configuration. Les figures 5 à 9 montrent différentes étapes du déploiement des pales, en partant figure 5 de leur position dite rentrée, pour arriver figure 9 à leur position dite déployée. 20 Exposé de l'invention L'invention est une hélice à géométrie variable, comportant un moyeu (10) pouvant tourner autour de l'axe de rotation de l'hélice, comportant au moins deux axes (21, 22) de rotation de pale situées à distance de ce dernier, au moins deux pales (31, 32) pouvant chacune tourner autour d'un axe de rotation de pale 25 (21, 22), entre une position dite déployée et une position dite rentrée, caractérisée par le fait que, dans la position dite rentrée, une pale 31 comporte une partie dite interne (311) qui tourne à l'intérieur d'un cylindre de rayon égal au rayon extérieur dudit moyeu (10). Selon d'autres caractéristiques : 30 une pale (31) comporte également une partie dite externe (312), dont le profil est différent de celui de la partie dite interne (311) ; le profil de la partie externe (312) correspond à un déplacement à plus grande vitesse de l'hélice dans le milieu ambiant que le profil de la partie interne (311) ; lesdits axes de rotation de pales (21, 22) sont sensiblement parallèles à l'axe de rotation de 35 l'hélice ; 3031958 3 - lesdits axes de rotation de pales (21, 22) sont inclinés de moins de dix degrés par rapport à l'axe de rotation de l'hélice ; - le pas d'une pale (31) s'inverse entre ladite position déployée et ladite position rentrée ; des carénages comblent les espaces situés entre les pales de l'hélice dans le prolongement 5 de la surface extérieure dudit moyeu (10) lorsque les pales sont dans la position dite rentrée ; l'invention est un aéronef muni d'une hélice à géométrie variable selon l'invention et, dans la position dite rentrée, ladite partie interne (311) d'une pale est entièrement comprise dans un carénage comme la carlingue de l'avion ; 10 - l'aéronef est muni d'une seconde hélice selon l'invention, qui tourne dans le sens opposé de la première l'aéronef est muni d'un parachute situé dans sa partie avant. Description détaillée de l'invention L'objectif principal de la présente invention est de permettre la réalisation d'un avion à décollage 15 et atterrissage vertical, fonctionnant comme Convair XF 1 Pogo, qui a été conçu dans les années 1950. Un avion muni d'une ou plusieurs hélices selon l'invention peut décoller à la verticale comme une fusée, et ensuite basculer à l'horizontale pour le vol normal, puis rebasculer à la verticale pour l'atterrissage. Les ordinateurs et les capteurs disponibles aujourd'hui permettent de décoller et surtout d'atterrir très facilement, ainsi que de gérer la transition en toute sécurité, alors que c'étaient des problèmes pour le Convair XF 1 Pogo. A la différence d'un hélicoptère, un tel avion ne tombe pas à l'endroit où ses moteurs tombent en panne. Le pilote peut planer jusqu'à l'endroit où il veut se poser. Il doit alors redresser l'avion jusqu'au décrochage, larguer un parachute qui peut être stocké dans la partie avant de l'appareil pour se poser doucement en position verticale. Des amortisseurs peuvent être prévus comme il y en avait sur le Pogo pour amortir le choc lors d'un tel atterrissage ou amerrissage. L'invention permet également de réaliser des avions qui restent à l'horizontale pendant toutes les phases de vol, et dont seuls les moteurs basculent de la verticale pour le décollage/atterrissage à l'horizontale pour le vol normal, comme le projet d'avion de transport civil Bell/Agusta BA609. Dans une version simple, une pale 31 est simplement rétractable par rotation autour de son axe de rotation de pale 21. Elle n'a dans ce cas que la partie 311 dite partie interne. Il est également possible de construire des hélices selon l'invention, qui ont des pales ne comportant qu'une partie interne et d'autres qui ont aussi des parties externes. Cela permet de faire varier le nombre de pales selon la configuration de l'hélice. 3031958 4 Dans une version perfectionnée, une pale 31 comporte également une partie dite externe 312, et ne rentre jamais complètement dans le carénage du moyeu 10. Avantageusement, le profil de ladite partie externe 312 est dans ce cas différent de celui de la partie dite interne 311. 5 Le profil de la partie externe 312 peut par exemple correspondre à un déplacement à plus grande vitesse de l'hélice dans le milieu ambiant que le profil de la partie interne 311, comme c'est le cas pour un avion à décollage vertical. Les axes de rotation de pales 21, 22 peuvent être sensiblement parallèles à l'axe de rotation de l'hélice, comme représenté sur toutes les figures, mais ils peuvent aussi être inclinés, par 10 exemple de quelques degrés, par rapport à cet axe. Moins de dix degrés d'inclinaison suffisent en effet à modifier sensiblement l'incidence des pales en fonction de leur ouverture. L'homme de l'art sait calculer l'évolution de l'incidence des pales en fonction de leur ouverture dans tous les cas de figure. Même dans le cas où l'axe de rotation d'une pale est parallèle à l'axe de rotation de l'hélice, l'incidence de la partie de la pale en contact avec le milieu ambiant varie lorsqu'elle 15 tourne autour de son axe de pale, ce que l'homme de l'art peut mettre à profit pour adapter le pas de l'hélice à chaque configuration. Dans le cas le plus courant, le pas d'une pale 31 est plus faible dans ladite position déployée que dans ladite position rentrée, mais on peut aussi envisager d'autres solutions. Le pas d'une pale 31 peut par exemple s'inverser entre ladite position déployée et ladite position rentrée. Une hélice 20 selon l'invention change ainsi de direction vers l'avant ou vers l'arrière sans changer de sens de rotation. C'est un moyen mécanique simple pour inverser la poussée d'une hélice, par exemple pour les bateaux. Dans une version préférée, des carénages comblent les espaces situés entre les pales de l'hélice dans le prolongement de la surface extérieure dudit moyeu 10 lorsque les pales sont dans la 25 position dite rentrée, car c'est dans cette position que l'hélice permet la vitesse la plus élevée de l'engin qu'elle entraîne, et où une ouverture au milieu ambiant des mécanismes de rotation des pales pourraient nuire à la vitesse. Les carénages peuvent par exemple coulisser parallèlement à l'axe de rotation de l'hélice. Dans le cas où l'invention est un avion, la partie interne 311 d'une pale peut être entièrement 30 comprise dans un carénage comme la carlingue de l'avion. Dans ce cas seule la partie externe 312 est en fonctionnement, et son architecture peut être optimisée pour les conditions de vol horizontal. Pour éviter les effets néfastes du couple de l'hélice au moment du décollage ou de l'atterrissage vertical, un avion selon l'invention est avantageusement muni d'une seconde hélice selon l'invention, qui tourne dans le sens opposé de la première. Les pales de cette seconde hélice peuvent ne pas avoir de partie externe pour s'escamoter complètement dans le fuselage 3031958 5 lors du vol horizontal, afin d'éviter dans cette configuration de vol les inconvénients liés aux paires d'hélices contrarotatives. Une conception particulièrement consiste à ce qu'une des hélices soit mue par un moteur thermique tandis que l'autre, celle qui n'est utilisée qu'en position verticale, est mue par un 5 moteur électrique. Ce dernier n'étant utilisé que peu de temps, peut ainsi être plus léger, et son régime adapté finement pour pouvoir faire tourner et stabiliser l'avion en rotation autour de son axe longitudinal pendant les phases de décollage et d'atterrissage. Les pales peuvent aussi être escamotables entièrement, et l'aéronef être propulsé par un réacteur. Il dispose ainsi d'une configuration complètement lisse en vol horizontal, susceptible de voler au 10 dessus de la vitesse du son. C'est un moyen de concevoir des chasseurs à décollage et atterrissage verticaux, n'ayant plus besoin de piste traditionnelle ou de porte-avions. On connait les transmissions à variation continue décrites dans PCT/FR-2013-00285, et PCT/FR-2014-00035 du même auteur. Ces transmissions sont particulièrement adaptées à l'entraînement d'hélices selon l'invention, et peuvent aussi être utilisées pour récupérer l'énergie 15 de leur rotation. Les pales peuvent être synchronisées entre elles, par un mécanisme simple (non représenté), comme ceux qui sont décrits pour la synchronisation des bras dans les demandes qui viennent d'être citées. Il est également possible de ne pas synchroniser toutes les pales, pour obtenir des configurations particulières dans lesquelles les pales ont des ouvertures différentes. 20 Dans une version perfectionnée, un rappel élastique peut être installé pour rappeler les pales dans leur position dite déployée. Lorsque la résistance de l'air est trop forte pour permettre une rotation des pales dans leur position déployée, la résistance a pour effet de faire tourner la pale autour de son axe de pale malgré ce rappel élastique. Cette méthode peut être mise en oeuvre par l'homme de l'art pour réguler automatiquement la position des pales en fonction de la résistance 25 du milieu ambiant, air ou eau par exemple, à la rotation de l'hélice. Cette méthode s'applique aussi bien pour les hélices servant à propulser un engin, comme pour celles servant à récupérer l'énergie d'un courant d'air ou d'eau par exemple. Principaux avantages de l'invention par rapport à l'art antérieur Une hélice selon l'invention permet à son utilisateur de changer un très grand nombre de ses 30 paramètres, dont le diamètre, la longueur des pales, leur forme (en plan en profil), et même le nombre de pales en fonctionnement, avec un mécanisme simple et donc robuste, nécessitant peu d' entretien. Comme un hélicoptère, un avion muni d'une ou plusieurs hélices selon l'invention permet de s'affranchir des pistes qui lui sont normalement nécessaires pour le décollage et l'atterrissage, 35 mais conserve une grande partie des avantages des avions, particulièrement pour ce qui 3031958 6 concerne la simplicité de conception et la vitesse. Par rapport à l'hélicoptère, un aéronef selon l'invention offre d'importants avantages de sécurité et de faible coût d'achat et de maintenance qui sont liés à sa conception. Applications 5 L'invention s'applique à tous les types d'hélices dont les appareils de traction, de compression, de propulsion, de sustentation, de mesure, et donc de nombreux types de machines comme les avions, les bateaux, les aéroglisseurs, les jouets, les ventilateurs, les éoliennes, les hydroliennes, les soufflantes des turboréacteurs. Les drones volants ou flottants font partie des applications les plus prometteuses. 10 REVENDICATIONS1. Hélice à géométrie variable, comportant : un moyeu (10) pouvant tourner autour de l'axe de rotation de l'hélice, comportant au moins deux axes (21, 22) de rotation de pale situées à distance de ce dernier, - au moins deux pales (31, 32) pouvant chacune tourner autour d'un axe de rotation de pale (21, 22), entre une position dite déployée et une position dite rentrée, caractérisée par le fait que, dans la position dite rentrée, une pale 31 comporte une partie dite interne (311) qui tourne à l'intérieur d'un cylindre de rayon égal au rayon extérieur dudit moyeu (10). 2. Hélice à géométrie variable selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'une pale (31) comporte également une partie dite externe (312), dont le profil est différent de celui de la partie dite interne (311). 3. Hélice à géométrie variable selon la revendication 2 caractérisée par le fait le profil de la partie externe (312) correspond à un déplacement à plus grande vitesse de l'hélice dans le milieu ambiant que le profil de la partie interne (311). 4. Hélice à géométrie variable selon la revendication 1 caractérisée par le fait que lesdits axes de rotation de pales (21, 22) sont sensiblement parallèles à l'axe de rotation de l'hélice. 5. Hélice à géométrie variable selon la revendication 1 caractérisée par le fait que lesdits axes de rotation de pales (21, 22) sont inclinés de moins de dix degrés par rapport à l'axe de rotation de l'hélice. 6. Hélice à géométrie variable selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le pas d'une pale (31) s'inverse entre ladite position déployée et ladite position rentrée. 7. Hélice à géométrie variable selon la revendication 1 caractérisée par le fait que des carénages comblent les espaces situés entre les pales de l'hélice dans le prolongement de la surface extérieure dudit moyeu (10) lorsque les pales sont dans la position dite rentrée. 8. Aéronef muni d'une hélice à géométrie variable selon la revendication 1 caractérisé par le fait que, dans la position dite rentrée, ladite partie interne (311) d'une pale est entièrement comprise dans un carénage comme la carlingue de l'avion. 9. Aéronef selon la revendication 8 caractérisé par le fait qu'il est muni d'une seconde hélice selon la revendication 1, qui tourne dans le sens opposé de la première. 10. Aéronef selon la revendication 8 caractérisé par le fait qu'il est muni d'un parachute situé dans sa partie avant.