FR2761047A1 - Bord profile d'un profile aerodynamique - Google Patents

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Abstract

Sur un bord profilé d'un profilé aérodynamique, le bord profilé (1) présente du matériau multifonctions sur son bord extérieur (3) et/ ou son bord intérieur (2) ou au sein de sa sructure.

Description

"BORD PROFILE D'UN PROFILE AERODYNAMIQUE"
La présente invention concerne un bord profilé d'un
profilé aérodynamique.
Les profilés aérodynamiques sont par exemple des pales de rotor d'hélicoptère. Les pales de rotor d'hélicoptère subissent en vol vers l'avant des conditions d'écoulement en principe instationnaires. En vol rapide, celles-ci peuvent être très complexes. Sur la pale de rotor avançante, il se forme alors des chocs de compression marqués. En revanche, il apparaît sur la pale de rotor reculante des détachements de tourbillon instationnaires en cas d'hypersustentation. Ce dernier phénomène est désigné par le terme "décrochage
dynamique" ("Dynamic Stall").
Dans le cas d'une pale de rotor d'hélicoptère, l'angle d'incidence du profilé varie de façon dynamique avec la fréquence de rotation du rotor. Cela signifie qu'on a un autre angle d'incidence pour chaque angle azimutal de la pale de rotor par rapport à l'axe longitudinal de l'hélicoptère. En général, on obtient lors de l'augmentation dynamique de l'angle d'incidence des coefficients aérodynamiques autres que dans la
plage de la réduction dynamique de l'angle d'incidence.
Ceci entraîne une hystérésis aérodynamique. Compte tenu du mouvement profilé accéléré du profilé de la pale de rotor d'hélicoptère, on obtient par rapport au cas statique un gain de sustentation qui peut être exploité de façon utile. Dans la zone des angles d'incidence élevés, la sustentation s'arrête cependant très brusquement et rapidement, ce qui génère une forte augmentation de la résistance et du couple autour de l'axe de rotation. Le couple a tendance à piquer et charge la pale de rotor par impulsions, ce qui peut
l'entraîner à vibrer.
On sait réduire à l'aide du "nez basculant" ("Droop Nose") l'augmentation de la résistance et le couple dont l'effet est une forte tendance à piquer. Le nez basculant est un bord d'attaque variable dans la forme des pales de rotor. L'objectif de ce bord d'attaque variable est une courbure appropriée, cyclique, fonctionnant avec la rotation du rotor, du profilé de la pale de rotor pour l'optimisation des propriétés aérodynamiques. Ce sont surtout les conséquences du détachement instationnaire de l'écoulement (décrochage dynamique) qui peuvent être influencées de façon
positive avec le nez basculant.
L'effondrement de la sustentation et l'effet ainsi lié de la montée de traînée (Drag Rise) par exemple (augmentation de la résistance due à un écoulement transsonique dans la zone des extrémités de pale - pale avançante, psi - 90 ), du flottement, etc., peuvent ainsi être déplacés vers des angles d'incidence plus élevés. On connaît dans le secteur des avions des actionneurs pour le réglage de parties des ailes porteuses. Ces actionneurs sont par exemple des moteurs électriques, des commandes pneumatiques ou hydrauliques comme dans le brevet US 4 296 900 ou des actionneurs piézo-électriques comme dans le brevet US 4 922 096, qui sont disposés au-dessous de l'enveloppe de revêtement et font varier le tracé sous l'effet de l'attaque locale. Ces mesures locales ne sont pas encore optimales et ne sont pas réalisables également pour certaines applications. Le document DE 40 33 091 Cl propose d'obtenir de façon complète un comportement d'élasticité des contours d'ailes pour être optimisé par l'utilisation de structures électrostrictives, des matrices en matériau céramique étant utilisées. Une modification
des formes d'ailes n'est pas prévue.
L'invention a pour objet de créer un changement au niveau de la mécanique structurale des effets du nez basculant pour un bord profilé d'un profilé
aérodynamique.
Ce problème est résolu par un bord profilé avec un profilé aérodynamique, sur lequel le bord profilé présente sur son côté extérieur et/ou côté intérieur ou dans sa structure un matériau multifonctions, pour lequel il est prévu un revêtement ou une couche active au plan du cisaillement et intégrée dans la structure du profilé aérodynamique; à base de matériau multifonctions, répartie partiellement sur le bord profilé, et avec lequel des couples de flexion et/ou des forces longitudinales ou de poussée peuvent être introduites dans la structure formant le bord profilé à travers les couches à base de matériau multifonctions faisant office de couches actives lesquelles couples et
forces génèrent une déformation de la structure.
D'autres développements de l'invention sont définis ci-après. Ainsi, on peut générer une déformation du bord profilé du profil aérodynamique qui répond aux exigences aéroélastiques. Les actionneurs classiques tels que moteurs électriques ou commandes pneumatiques ou hydrauliques sont trop grands et trop lourds du fait de leurs dimensions pour pouvoir être intégrés dans un bord profilé par exemple d'une pale de rotor d'hélicoptère. En revanche, le fait de prévoir des matériaux multifonctions conformément à l'invention s'avère avantageux non seulement du point de vue des dimensions et du poids, mais également de la possibilité d'utilisation pour des applications de dynamique élevée. Les performances des actionneurs classiques connus tels que les moteurs électriques, les commandes pneumatiques ou hydrauliques, s'avèrent souvent trop faibles et donc non appropriées pour l'utilisation pour le changement au niveau de la dynamique structurale du nez basculant sur les pales de rotor; les actionneurs piézo-électriques qui interviennent localement ne peuvent pas entrainer de déformations globales, qui peuvent être obtenues par l'invention, de l'ensemble de la pale de rotor concernée. Sur le principe, on crée un bord profilé d'un profilé aérodynamique, sur lequel le bord profilé présente un matériau multifonctions sur son côté extérieur et/ou son côté intérieur ou dans sa structure. De préférence, il est prévu un revêtement à base de matériau multifonctions réparti partiellement sur le bord profilé. Le bord profilé est alors avantageusement un bord d'attaque, par exemple d'une pale de rotor. Le matériau multifonctions peut cependant être également une couche active au niveau du cisaillement, qui est intégrée dans la structure du profilé aérodynamique. Grâce au matériau multifonctions, il est possible d'appliquer des couples de flexion et/ou des forces longitudinales ou de poussée dans la structure formant le bord profilé. De cette manière, on peut générer une déformation de la structure. Une activation du matériau multifonctions peut se faire de façon prédéterminée et variable selon le pourtour du profilé aérodynamique. Cette activation peut s'effectuer soit en phase soit en opposition de phase. De préférence, on prévoit également des capteurs à base de matériau multifonctions et des régulateurs adaptatifs. De cette manière, la déformation réelle du bord profilé peut être enregistrée par des capteurs et comparée dans le régulateur adaptatif avec des valeurs de consigne prédéfinies. Un écart normal entre la valeur réelle et la valeur de consigne peut être ajusté par le régulateur adaptatif avec un déclenchement approprié du matériau multifonctions en guise d'actionneur. De façon particulièrement préférée, le matériau multifonctions prévu comme actionneur fait office en même temps de capteur pour la déformation du
bord profilé.
De façon particulièrement avantageuse, le bord profilé est conçu avec une épaisseur de paroi variable à la périphérie. Cette rigidité du profilé aérodynamique, variable le long de la périphérie, permet alors d'exercer une influence passive supplémentaire sur la déformation du bord profilé qui
se produit.
Comme matériau multifonctions, on utilise de préférence un matériau approprié pour des applications à haute fréquence. A cet effet, on utilise de façon particulièrement avantageuse une piézocéramique, un matériau électrostrictif ou magnétostrictif. Le bord profilé est de préférence à base de matériau composite de fibres, en particulier à base de matériau composite renforcé avec de la fibre de carbone (CFK) ou de matériau composite renforcé avec de la fibre de graphite (GFK). Cependant, il peut être également à base de métal. Les couches actives à base de matériau multifonctions sont de préférence appliquées par stratification sur le bord profilé, collées ou appliquées par un procédé au plasma. Cependant, elles peuvent également être appliquées par des procédés de remplacement ou de préférence être introduites par
stratification dans les couches les plus extérieures.
Dans ce dernier cas, on peut appliquer au-dessus de la couche introduite une couche mince de fibre de verre en guise de couche de protection, par exemple dans une épaisseur de couche de 10 Pm. Si le matériau multifonctions est prévu comme couche active au niveau du cisaillement, il est de préférence incorporé ou introduit par stratification dans la structure du bord
profilé du profilé aérodynamique.
Le bord profilé peut être par exemple un bord d'attaque ou un bord de fuite. Il fait partie par exemple d'une pale de rotor d'hélicoptère, d'une aile d'installation à énergie éolienne, d'une aube de turbine ou d'une aube de compresseur ou d'une surface
portante d'un avion.
Si le bord profilé est prévu comme bord de fuite élastique d'un profilé aérodynamique, on prévoit de préférence un bord de fuite arrivant en pointe. De ce fait, on peut générer de préférence une courbure
variable de profilés aérodynamiques.
Pour expliquer l'invention de façon plus précise, on décrit ci-dessous des exemples de réalisation d'un bord profilé conforme à l'invention à l'aide des dessins. Sur ces dessins, la figure 1 représente un croquis de principe d'un bord profilé conforme à l'invention comme bord d'attaque, la figure 2, un schéma de principe du bord d'attaque selon la figure 1 dans l'état activé, la figure 3, un schéma de principe d'un deuxième mode de réalisation d'un bord profilé conforme à l'invention comme bord d'attaque, et la figure 4, un schéma de principe d'une vue latérale d'un troisième mode de réalisation d'un bord profilé conforme à l'invention comme bord de fuite élastique. Sur la figure 1, on présente un schéma de principe d'une vue latérale d'un profilé aérodynamique. Le profilé aérodynamique présente un bord d'attaque 1. Le bord d'attaque 1 du profilé sensiblement parabolique
est la zone de courbure maximale. Au-dessus et au-
dessous de cette courbure maximale, des zones 4 sont pourvues sur le côté intérieur 2 et sur le côté extérieur 3 du bord profilé de couches 5 à base de matériau multifonctions. Le matériau multifonctions est appliqué dans ces zones, donc avec une répartition partielle, comme revêtement sur le bord intérieur 2 et
le bord extérieur 3 du bord d'attaque 1.
La couche à base de matériau multifonctions 5 sert de couche active. Ceci signifie que, en amorçant les couches actives sur le côté intérieur 2 et le côté extérieur 3 du bord d'attaque 1 du profilé, on peut appliquer des couples de flexion et/ou des forces longitudinales ou des forces de poussée dans la structure du bord d'attaque 1. Une activation de ce type des couches actives 5 entraîne la déformation du
bord d'attaque 1 du profilé.
Afin de permettre une déformation uniforme du bord d'attaque, on applique également dans la zone 6 des points de support 7, donc des points définis du profilé, sur le côté intérieur 2 et le côté extérieur 3 du bord d'attaque 1 des couches 5 à base de matériau multifonctions. Les zones 6 sont notamment des zones particulièrement préférées pour l'application du
matériau multifonctions.
Une piézocéramique ou des matériaux électrostrictifs et magnétostrictifs conviennent particulièrement pour le matériau multifonctions. Dans tous les cas, on utilisera un matériau qui convient pour des applications de haute fréquence. Le bord d'attaque 1 est de préférence à base de matériau composite de fibre ou de métal. Les couches 5 à base de matériau multifonctions sur le côté intérieur 2 et le côté extérieur 3 du bord d'attaque 1 sont de préférence appliquées par stratification, collées, insérées dans les couches extérieures par stratification ou
appliquées au moyen de méthodes au plasma.
L'amorçage par la piézocéramique, qui est une céramique à base de matériau piézoélectrique et est largement isotrope au niveau de ses propriétés en raison de sa structure polycristalline, est basé sur le phénomène que certains cristaux peuvent être polarisés par des déformations telles qu'une sollicitation de pression ou de traction. Sur des surfaces opposées, il
se forme alors des charges de surface de signe opposée.
La charge électrostatique, qui apparaît lors de la compression de cristaux dans le sens des axes polaires, est proportionnelle à la grandeur de la force agissante et la manifestation d'une polarisation du cristal sous l'effet de la pression (ou de l'effet de traction), donc du déplacement relatif d'ions positifs par rapport à des ions négatifs le long de l'axe polaire. Les charges de surfaces de cristal se faisant face ont de ce fait des signes opposés. En revanche, on peut à l'inverse provoquer une compression et dilatation, donc également une variation en longueur, même avec de tels cristaux excitables de façon piézoélectrique, par l'application d'un champ électrique en fonction de sa polarité ou de sa direction. Cet effet est appelé piézo-électrique inverse. Le bord d'attaque 1 est déformé par l'application du champ électrique et la variation en longueur en résultant des couches 5 à base
de matériau multifonctions.
De telles déformations de la structure du bord d'attaque 1 du profilé sont repérées sur la figure 2 par les lettres de référence A et B. Pour parvenir de la position de départ selon la figure 1, qui est présentée sur la figure 2 en position centrale, à la position A, on allonge les couches 5 en matériau multifonctions se trouvant sur le côté inférieur 8 du bord d'attaque 1. Le bord d'attaque 1 est déformé de telle façon qu'il se déplace vers le haut dans la position A. A l'inverse, si l'on allonge les couches 5 disposées sur la face supérieure 9 et à base de matériau multifonctions, le bord d'attaque 1 du profilé occupe la position B. Les deux sens de déplacement à partir de la position de départ sont indiqués par une
double flèche sur la figure 2.
Les couches 5 disposées sur la face supérieure 9 et la face inférieure 8 du bord d'attaque 1 et à base de matériau multifonctions, font donc office d'actionneurs. De préférence, on fait activer non seulement les actionneurs se trouvant sur le dessous ou sur le dessus, mais en même temps aussi bien les actionneurs se trouvant sur le dessus que ceux se trouvant sur le dessous. L'activation peut se faire soit en phase soit en opposition de phase. Pour de petits angles d'incidence seulement à générer, donc des déformations du bord d'attaque 1 par rapport à la position de départ, on utilise de façon avantageuse une activation en phase. Pour générer des angles d'incidence plus grands, on procède à une activation en
opposition de phase.
Etant donné qu'on a non seulement une activation sous la forme d'une commande adaptée des actionneurs, mais qu'on doit prévoir aussi un réglage adaptatif de ces déformations, donc une génération adéquate d'angles d'incidence appropriés du profilé, il est prévu une réinjection des valeurs réelles dans le régulateur adaptatif. Pour enregistrer les valeurs réelles, on dispose des capteurs sur le bord d'attaque 1. Les actionneurs sont utilisés de préférence aussi comme des capteurs. La dépense en matériel est réduite ainsi à un
niveau aussi faible que possible.
De façon particulièrement avantageuse, le bord d'attaque est conçu avec une épaisseur de paroi variable à sa périphérie. La rigidité de la structure du profilé est ainsi influencée. Il en résulte une influence passive de la déformation du bord d'attaque
du profilé.
La figure 3 montre un deuxième mode de réalisation d'un bord d'attaque 1 conforme à l'invention. Le matériau multifonctions est intégré comme couche 10 active au cisaillement dans la structure 11 du bord d'attaque 1. Contrairement au mode de réalisation selon les figures 1 et 2, ce mode présente l'avantage que la couche active au cisaillement est prévue, de la même manière que sur le mode de réalisation selon la figure 1 ou 2, avec une répartition partielle sur le bord d'attaque 1. Par l'intégration dans la structure 11 du profilé, on garantit cependant qu'une séparation de la couche active au cisaillement du bord d'attaque 1 est impossible sans une destruction complète du bord d'attaque. La couche 10 active au cisaillement est donc protégée à l'intérieur de la structure du bord d'attaque 1. Par ailleurs, il s'avère également avantageux que l'activation se fasse directement à partir de la structure et ne soit pas effectué par le
côté extérieur et/ou le côté intérieur du profilé.
Sur la figure 4, on présente un troisième mode de réalisation d'un bord profilé conforme à l'invention sous la forme d'un bord de fuite 20 élastique. Au lieu de l'activation du bord de fuite selon les figures 1 à 3 pour créer une courbure du profilé, appropriée, se déroulant de façon cyclique avec la rotation du rotor, pour l'optimisation des propriétés aérodynamiques par exemple d'une pale de rotor, afin surtout de pouvoir influer de façon positive sur les conséquences du détachement instationaire de l'écoulement (décrochage dynamique), il se produit en prévoyant le bord de fuite élastique un changement approprié de dynamique structurale avec seulement des conditions d'écoulement différentes. On génère une courbure variable, et les
conditions d'écoulement sont modifiées.
A la place du bord d'attaque 1 de forme parabolique selon les figures 1 à 3, il est prévu sur la figure 4 une structure 21 s'effilant en pointe. Les couches 25 à base de matériau multifonctions sont réparties et appliquées sur le côté intérieur 22 et le côté extérieur 23 de cette structure 21 s'effilant en pointe. La structure 21 du bord arrière 20 élastique, s'effilant en pointe qui est maintenue de façon fixe dans sa zone arrière, est mobile dans sa zone de pointe antérieure. Les sens de déplacement possibles sont
indiqués par la double flèche sur la figure 4.
L'activation s'effectue conformément à celle du bord d'attaque 1 qui est décrite pour les figures précédentes. On peut avoir également une activation, en phase ou en opposition de phase, des actionneurs sous la forme des couches 25 à base de matériau
multifonctions.
En remplacement du mode de réalisation présenté, on peut également prévoir un bord de fuite élastique,
fendu et ouvert en sa zone arrière.
Par l'activation des actionneurs et la déformation en résultant, on peut générer une courbure variable de profilés. Les possibilités d'utilisation des bords d'attaque et de fuite adaptatifs décrits sont nombreuses. Par exemple, on peut utiliser de tels bords profilés, à commande adaptative, s'adaptant donc par un réglage approprié d'un angle d'incidence, dans des pales de rotor d'hélicoptère. Cependant, ils conviennent également particulièrement pour des installations à énergie éolienne, des aubes de turbine ou de compresseur ou pour une utilisation sur des surfaces
portantes d'avions, en particulier d'avions de combat.
Les secteurs d'utilisation sont obtenus partout o les conséquences de décollement instationnaire de l'écoulement doivent être influencées de façon positive par une courbure du profilé, appropriée et se déroulant de façon cyclique avec la rotation du rotor, pour l'optimisation des propriétés aérodynamiques de la pale
de rotor.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans
pour autant sortir du cadre de l'invention.
Liste des références 1 bord d'attaque 2 côté intérieur 3 côté extérieur 4 zone avec matériau multifonctions couche à base de matériau multifonctions/revêtement 6 zone 7 point d'appui/point fixé au plan statique 8 côté inférieur 9 côté supérieur couche active au plan du cisaillement 11 structure bord de fuite élastique 21 structure arrivant en pointe/bord de fuite 22 côté intérieur 23 côté intérieur 25 couche à base de matériau multifonctions 27 point d'appui/point fixé au plan statique A position de déviation B position de déviation

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Bord profilé d'un profilé aérodynamique, sur lequel le bord profilé (1, 20) présente sur son côté extérieur (3, 23) et/ou sur son côté intérieur (2, 22) ou dans sa structure (11) du matériau multifonctions, sur lequel il est prévu un revêtement (5, 25) ou une couche (10) active au plan du cisaillement et intégrée dans la structure (11) du profilé aérodynamique, à base de matériau multifonctions et partiellement répartie sur le bord profilé (1, 20), et sur lequel des couples de flexion et/ou des forces longitudinales ou des forces de poussée peuvent être générée à travers les couches (5, 25, 10), à base de matériau multifonctions et faisant office de couches actives, dans la structure (1) formant le bord profilé (1, 20), lesquels génèrent
une déformation de la structure.
2. Bord profilé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches (5, 25, 10) à base de matériau multifonctions peuvent être activées de façon variable et appropriée selon la périphérie du profilé
aérodynamique.
3. Bord profilé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les couches (5, 25, 10) à base de matériau multifonctions peuvent être activées en phase
ou en opposition de phase.
4. Bord profilé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le
bord profilé (1, 20) est formé avec une épaisseur de
paroi variable à la périphérie.
5. Bord profilé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en qu'il est
prévu des capteurs à base de matériau multifonctions et
des régulateurs adaptatifs.
6. Bord profilé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couches (5, 25, 10) du bord profilé (1, 20), prévues comme actionneurs et à base de matériau multifonctions, font office de capteurs pour
la déformation du bord profilé.
7. Bord profilé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le
matériau multifonctions est un matériau approprié pour des applications de haute fréquence, en particulier une piézocéramique, un matériau électrostrictif ou magnétostrictif.
8. Bord profilé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le
bord profilé (1, 20) est à base de matériau composite de fibre, en particulier de matériau composite renforcé avec du carbone ou renforcé avec du graphite (CFK ou
GFK), ou à base de métal.
9. Bord profilé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le revêtement (5, 25) à base de matériau multifonctions est appliqué par stratification sur le bord profilé (1, 20), collé ou appliqué par un procédé au plasma ou inséré par stratification dans les
couches extérieures du bord profilé.
10. Bord profilé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le
bord profilé est un bord d'attaque (1) ou un bord de
fuite (20) du profilé aérodynamique.
11. Bord profilé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, si le bord profilé est prévu comme un bord de fuite (20) élastique, il est prévu un bord de fuite (21) effilé en pointe par lequel on peut générer en particulier une courbure variable de
profilés.
12. Bord profilé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le
bord profilé (1, 20) est une partie d'une pale de rotor d'hélicoptère, d'une aile d'installation à énergie éolienne, d'une aube de turbine ou de compresseur ou
d'une surface portante d'un avion.
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