ROTOR HELICOPTERE A POUTRE FLEXIBLE

Brevet 4,792,280 du 15/02/2000
ROTOR HELICOPTERE A POUTRE FLEXIBLE
Traduction et adaptation française à contrôler par « United Technologies Corporation »
RESUME
Un rotor amélioré à poutre flexible (20) se compose d'une paire de poutres (25) profilées en C, cavité vers
l'extérieur, pratiquement parallèles ; au niveau de leur géométrie interne, il faut distinguer une première
région (A) du pied au 1/3 de la pale où la flexibilité est accrue en dehors de leur plan (battement, flexion)
et une 2e région (B) du 1/3 au 2/3 de la pale où la flexibilité est accrue dans leur plan (traînée, torsion).
Fig. 1 – Vue
isométrique du pied de
pale
- Poutres flexibles (25)
avant et arrière à
section en C
- Boulons de fixation
(45)
- Coque de la pale (10)
DOMAINE TECHNIQUE
Cette invention concerne généralement les rotors d'hélicoptère dans le domaine particulier de la poutre
flexible.
ETAT DE L'ART
Une poutre flexible de rotor pour hélicoptère est une membrure qui connecte une pale au moyeu fixé sur
l'arbre d'entraînement rotor. En dehors de la liaison pale moyeu , les poutres flexibles modernes sont
employées dans des rotors sans palier de roulement . Les déplacements correspondant à la traînée, au
battement, au pas des pales se font par simple flexion dans le plan ou hors du plan de la pale en se passant
des articulations anciennement utilisées.
Par suite, le gros avantage de ces poutres flexibles est qu'elle peuvent supporter, pendant la rotation du
rotor, les différentes déformations des pales hors de leur plan (battement, flexion) et dans leur plan
(traînée, torsion).
C'est ainsi que la flexibilité en torsion de ces poutres est suffisante pour transmettre avec un moment
minimum à la pale, le petit déplacement de la poutre causé par la commande de pas rotor. Cependant cette
flexibilité qui doit être suffisante dans leur plan et hors de leur plan ne doit pas affaiblir l'état structural de
la poutre.
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C'est pourquoi, une poutre flexible doit avoir suffisamment de résistance pour réagir à de gros efforts dans
le plan, hors du plan subis par les pales rotor, aussi bien en statique qu'en dynamique. De plus, les
vibrations dans le plan et hors du plan de la poutre doivent être mutuellement indépendantes pour éviter la
résonance.
La poutre doit être en outre aussi courte que possible pour réduire poids, traînée et signature radar ; elle
doit également pouvoir être fabriquée le plus économiquement possible et d'une manière réduisant les
zones sous contrainte afin d'améliorer l'état structural et la durée de vie.
Des poutres flexibles de ce type pour rotor sans articulation existent mais présentent des inconvénients
dans certains domaines. Certaines d'entre elles ne permettent pas l'utilisation d'une commande de pas
collectif positionnée au centre du rotor et dans le même plan que la poutre , conditions requises pour
disposer d'une commande de pas compacte, profilé et efficace ; d'autres encore ne permettent pas le
préréglage des pales en traînée et en conicité ; enfin certaines fléchissent en statique avec le temps ce qui
impose de jouer sur le pas pour compenser ce défaut.
EXPOSE DE L'INVENTION
En conséquence, parmi des objectifs variés, cette invention a pour but de proposer une poutre flexible de
rotor hélicoptère :
– dont la structure et la flexibilité sont améliorés et dont le coût de fabrication est économique ;
– à la résistance accrue avec des caractéristiques vibratoires dans le plan (traînée , torsion) et hors du
plan (battement, flexion) réduisant les fréquences de résonance ;
– dont la raideur en torsion varie d'un bout à l'autre de la pale ; dont les contraintes sont réduites
pour maintenir le bon état de la structure ; dont la forme permet la mise en place d'une commande
centrale de pas dans le plan de la poutre pour obtenir compacité et légèreté ;
– dont les préréglages en traînée et conicité sont prévus et réalisables d'une manière commode ;
– dont, en statique, la tendance à fléchir de la pale est réduite et dont la position du centre de
cisaillement est optimisée entre l'axe neutre et l'axe de pas.
La poutre flexible se compose d'une paire de longerons parallèles à section en C (patins haut et bas
horizontaux encadrant une paroi verticale) avec ouverture orientée vers l'extérieur
DESCRIPTION DES DESSINS
Fig. 2 – Vue de dessus : 2 poutres flexibles avec patins haut et bas boulonnées dans 2 manchons
La poutre flexible rotor est constituée de deux poutres flexibles séparées et parallèle, à section en C
réunies entre elles par des manchons (55, 47).
Manchon (55) fixé sur le moyeu rotor sur lequel sont fixés par des boulons (60) les deux poutres (25) à
section en C ; manchon (55) est boulonné dans une fourche solidaire du moyeu (non représentée).
Manchon (47) rendant solidaire en bout de pale les deux poutres (25).
Le patin (Fig.3 75) des poutres a une largeur W qui décroît du pied au bout de pale ; l'épaisseur T de la
paroi, de constant en début de pale, diminue au 2/3 puis augmente en bout de pale.
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Fig. 3 – Vue de côté d'une des 2 poutres flexibles
L'épaisseur T des patins haut et bas horizontaux (75) encadrant la paroi verticale (70) varie fortement
entre le moyeu rotor et le milieu de la pale pour augmenter jusqu'à un maximum, atteint lorsque les deux
patins disparaisse dans la paroi (70) en se rejoignant en bout de la pale.
La hauteur H de la poutre (70 + 75) varie légèrement en diminuant au centre ; cette hauteur moyenne
importante contribue à diminuer le fléchissement statique.
La poutre est constituée de 2 régions : une intérieure vers le pied de pale, une extérieure vers le bout de
pale :
- la région intérieure est conçue structurellement pour que sa flexibilité favorise plus les déformations
hors du plan de la pale « edgewise flexibility » – battement, flexion - que dans le plan – traînée, torsion
- ; c'est le contraire qui a été fait dans la région extérieure ;
- la région extérieure est conçue structurellement pour que sa flexibilité favorise plus les déformations
dans le plan de la pale « flatwise flexibility » – traînée, torsion - qu'en dehors du plan – battement,
flexion - .
Une telle séparation des comportements en flexibilité est rendue possible par la forme de la section de la
poutre : paroi verticale plus ou moins haute avec rebords horizontaux plus ou moins épais .
La hauteur de la paroi diminue très vite vers le bout de pale pour atteindre un minimum dans la région
intérieure (A) flexible hors du plan - « edgewise flexibility » -, c'est à dire en battement et flexion.
Ensuite la hauteur de la paroi augmente vers le bout de pale, en particulier dans la région extérieure (B)
ce qui augmente la rigidité hors du plan (blocage du fléchissement de la pale en statique) et la
flexibilité dans le plan « flatwise flexibility » (mouvements en traînée et/ou torsion possibles – bonne ).
L'épaisseur des rebords est maximum aux deux extrémités de la poutre pour pouvoir résister aux efforts
qui s'exercent en dynamique au niveau de la fixation de la pale sur le moyeu rotor.
L'épaisseur de la paroi et des rebords est minimum dans la région extérieure (B) – Fig.6 et Fig.7 - pour
faciliter la torsion et la traînée. Idem pour la largeur de la poutre.
Une cale (77) entre les deux patins (75) permet de rendre solidaire les deux patins (75) introduit dans
leur logement du manchon (55) et de serrer le tout par les 2 boulons (60) ; ce logement est prévu pour un
certain réglage de conicité et de traînée.
Le manchon (55) de la pale est fixé dans la fourche du rotor avec un dispositif permettant le repli en
arrière de la pale pour gagner de la place dans le hangar.
Les bouts des deux poutres flexibles sont rendus solidaires par un manchon (65) dans lequel ils sont
boulonnés.
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Fig. 4 à 9 – Patins et paroi en coupe de la poutre - Variation de l'épaisseur et de la largeur du patin, de la
hauteur et de l'épaisseur de la paroi à différentes distances de l'axe rotor
->4 – pied de pale ; épaisseur patin T = 0,95 inch (2,4 cm) ; hauteur poutre H = 2,6 inch (6,5 cm) ;
largeur W patin = 2,8 inch (7 cm)
->5 – début zone A
->6 – vers fin zone A, début décroissance épaisseur paroi
->7 – minimum épaisseur ; T = 0,25 inch (0,6 cm)
->9 – maximum épaisseur ; T = 1,1 inch (2,8 cm) ; les patins ont disparu dans la par
Fig.10 – Variation H (hauteur poutre), W (largeur patin) et T (épaisseur patin) à partir du pied de pale
Ligne 83 concerne la largeur W du patin qui est l'équivalent de la largeur du rebord de la poutre : W part
de 2,7 inch (6,9 cm) décroît de moitié entre le pied de pale et une distance de 40% du pied de pale ;
ensuite W varie très peu et termine à 1 inch (2,54 cm).
Ligne 87 concerne l'épaisseur T du patin qui est l'équivalent de l'épaisseur du rebord de la poutre :
l'épaisseur initiale du rebord T - 2,4 inch (6,1 cm) - est divisée par 6 entre le pied de pale et une
distance de 50% du pied de pale ; elle reste constante entre 50% et 75% du pied de pale ; elle devient
égale à la largeur initiale de la poutre soit 2,7 inch (6,9 cm).
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Fig.11 – Positions relatives du centre de cisaillement (SC), de la poutre (S), de l'axe neutre (NA) par
rapport à l'axe de pas collectif (entre les 2 poutres)
VOCABULAIRE TECHNIQUE
droop
dart
fléchissement
pince
prelag and precone
préréglage traînée et conicité
edgewise flexibility
raideur hors plan pale (battement, flexion)
taper
s'effiler
web height
hauteur de paroi
flange hight
hauteur du patin
flatwise flexibility
raideur dans plan pale (traînée, torsion)
hinge
charnière
CDG 26/12/2011
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