CA1311735C - Pale pour rotor d'helicoptere en materiau composite multilongeron a caissons de torsion et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une pale pour rotor d'hélicoptère en matériau composite dont l'ossature résistante multilongeron voisine du bord d'attaque (4) est disposée de façon à former deux caissons superposés (2 et 3). Application à la construction des aéronefs. Figure 8.

Description

L'invention concerne une pale en matéri.au compo site pour rotor d'hélicoptère dont la structure est particu-lièrement bien adaptée aux sollicitations tant en flexion qu'en torsion et qui de plus est redondante; cette qualité
permet de conserver l'i.ntegrité de fonctionnement après un endommagement structural. Ce type de structure est également bien adapté aux pales dont l'emplanture est "à fourche".
On sait en effet que pour constituer l'emplanture des pales et leur attache aux articulations du moyeu qui auto-risent les mouvements angulaires desdites pales en incidence,battement et trainée, particulièrement quand ces articulations sont constituées par un corps élastique déformable angulaire-ment, connu sous le nom de butée sphérique lamifiée et tel que décrit dans le Brevet Français No 2 427 251 (publié le 1 février 1980, au nom de la "Société Nationale Industrielle Aérospatiale"),il est avantageux que le pied de pale comporte deux branches formant une fourche dont l'extrémité est directement boulonnée sur l'armature interne de la butée sphérique lamifiée. Ce type de construction apporte d'une part une simplification de la construction du rotor et son allègement par la réduction du nombre de pièces constitutives, et d'autre part, permet le rapprochement de la liaison pale/
moyeu du centre d'oscillation de la pale, ce qui a pour consé-quence une réduction importante des efforts dynamiques appli-qués à l'attache. Ceci donne à cet organe une meilleure tenueà la fatique et une durée de vie non limitée.
Par ailleurs on connait des pales à caissons com-portant soit un unique caisson au voisinage du bord d'attaque soit un caisson multiple dans le sens de la corde de la pale.
Le principal avantage de ces pales réside dans leur très grande rigidité en torsion permettant notamment d'éliminer les vibrations nées d'un couplage entre les déformations de flexion et de torsion de la pale. Cependant, et plus spécialement dans le cas d'une pale présentant une fourche d'attache, leur r~ali-sation devient complexe tout en ne donnant pas entière satis-1 3 1 1 7~5 faction en ce qui concerne la résistance de la zonede liaison de la partie courante de la structure à
l'emplanture à fourche.
En effet une structure à un seul caisson 5 devant se diviser en deux caissons pour ~ormer les deux branches de la fourche présente une discontinuité dans la zone de transition qui est très défavorable pour le passage des efforts de torsion en particulier. Pour les structures à
10 caisson multiple dans le sens de la corde, il est impossible de les prolonger en caissons de branches de fourches sans solution de continuité brusque d'au moins un caisson, d'où également une zone de transition affaiblie. Bien entendu on remédie à cet S affaiblissement par la mise en place de renforts, nervures frettes et autres moyens pour tenter de reconstituer une structure continue mais cela entralne une grande complication de fabrication. Il s'ensuit que les pales à fourches et à caisson sont 20 pratiquement impossible à fabriquer de manière simple donc économique.
La présente invention entend remédier à
ces inconvénients en proposant une pale dans laquelle l'ossature résistante est conformee en deux 25 caissons superposés dans le sens de l'épaisseur de la pale afin qu'ils puissent se prolonger de manière naturelle et sans solution de continuité en armature pour les branches de la fourche d'attache de la pale au moyeu de rotor.
Plus précisément l'invention a pour premier objet une pale en matériau composite pour rotor d'hélicoptère constituée au voisinage de son bord d'attaque par une ossature résistante en caissons sensiblement centrée au quart avant de sa section courante transversale.

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Selon l'une des caractéristiques principales de l'invention, cette ossature cornprend deux caissons longitudinaux superposés, chacun d'eux s'étendant de la pointe au pied de la pale et étant s constitué par un longeron avant et un longeron arrière formés d'un faisceau de stratifils en fibres préimprégnées de résine, par un noyau de remplissage en matériau léger disposé entre les deux longerons et par une enveloppe renfermant longerons et noyau 10 comprenant au moins une couche de tissus en fibres parallèles, disposées en biais par rapport à l'axe longitudinal de la pale, de manière à former un caisson de torsion, les deux caissons étant solidarisés par polymérisation simultanée des parties superposées et jointives de leur enveloppe respective, tandis qu'à l'arrière de l'ossature est disposé un élément de remplissage et qu'un revêtement extérieur enveloppe l'ensemble de l'ossature et de l'élément de remplissage.
Outre l'avantage de cette disposition concernant la réalisation simple des branches de la fourche qui sera explicitée en détail ci-après, cette structure comporte un second avantage en ce qui concerne la sécurité en cas d'avarie ou de 25 défaillance (caractère fail safe) de la pale provoquée par l'impact d'un projectile. Cet avantage est important pour des pales équipant des hélicoptères à usage militaire. En effet le projectile tel qu'une balle possédera dans la quasi 30 totalité des cas une trajectoire ascendante puisque tiré du sol. L'impact du projectile sera donc situé
dans le caisson inférieur. Il est certain que dans la zone d'impact la résistance en torsion du caisson inférieur sera très diminuée. Il restera cependant 35 une résistance à la torsion importante conservée par le caisson supérieur qui reste bien réparti de part ,., j~.
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et d'autre de l'axe de pas classiquement situé
sensiblement au quart avant de la section de la pale. Cette résistance est en outre confortée par le fait que la structure possède quatre longerons s formant en tout état de cause une armature également bien répartie autour de l'axe de pas. Ce n'est pas le cas d'une structure en monocaisson, où la raideur en torsion devient pratiquement nulle dans la zone d'impact, ni le cas d'une structure multicaisson 10 dans le sens de la corde de la pale où, bien qu'une raideur résiduelle soit conservée dans la zone d'impact pour le caisson non atteint, il y a déplacement de la zone résistante par rapport à
l'axe de pas et changement important de la 15 répartition des contraintes.
Par ailleurs, toujours en cas d'impact la rupture d'un caisson dans la zone d'impact ne provoque un déplacement du centre de cisaillement de la section que dans le sens vertical en direction du 20 second caisson si bien que les efforts aérodynamiques passent toujours au très proche voisinage de ce centre de cisaillement ce qui évite la création de couplages pouvant engendrer des vibrations dangereuses.
2s D'une manière générale, le caractère "fail safe" de la partie courante de la pale est amélioré
par la multiplication des liaisons entre caissons et longerons et la qualité de ces liaisons qui résulte de la compatibilité des matériaux employés (tissus 30 stratifils, résines) autorisant une polymérisation en bloc dans un moule unique, sans emploi de films de colle rajoutés.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le pied de pale étant prolongé par une 35 emplanture en forme de fourche à deux branches, l'armature de chaque branche de la fourche est ~.~

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constituée par l'extrémité des longerons de chaque caisson, l'extrémité des longerons du caisson supérieur divergeant angulairement de l'extrémité
des longerons du caisson inférieur, a une distance s appropriée des extrémikés des branches de ladite fourche, de part et d'autre d'un matériau de remplissage en forme de coin. On assure de manière naturelle et aisée la continuité de l'ossature tout au long de la pale depuis sa pointe jusqu'à son 10 emplanture sans avoir recours à des éléments de - renfort rapportés.
De manière avantageuse, chaque longeron est constitué par un faisceau de fibres replié sur lui-même autour d'une douille d'attache de la pale 15 sur le moyeu du rotor, disposée à l'extrémité de chacune des branches de la fourche susdite.
Par ailleurs, dans la mesure où la pale comporte au voisinage de son pied une chape d'attache d'un organe de commande (variation de pas) 20 OU d'amortissement, dont chaque branche est pourvue d'une douille d'articulation, il est avantageux de contourner ladite douille par un petit longeron formé d'un faisceau de fibres convenablement orientées, accolé au longeron arrière et incorporé
25 dans l'ossature résistante au caisson sans avoir recours à des pièces rapportées.
On peut egalement incorporer la douille de chacune des branches de la chape susdite à
l'ossature de la pale par le moyen d'un drapage de 30 la douille par un empilage de tissus (plis) formant un renfort autour de la douille, s'appuyant sur le longeron arrière du caisson correspondant et recouvert par l'enveloppe de ce caisson.
Le second objet de l'invention réside dans un procédé de fabrication de la pale ci-dessus selon lequel l'assemblage de ses différents éléments const.itutifs et la pol~mérisation des résines qui :les impregllellt sont realisés dans un mou].e unique const.itue de deux demi-moules rigides dont l'emp.ceinte cor.respond au profil de la pale, chacun s d'eux, yréalab1.ement à la fermeture du moule étant successivemen-t:
-- nappé d~s couches de peau de la pale et d'une partie des couches cle fibres parallèles constituant l'enveloppe du caisson, 10- équipé du faisceau de stratifils situé au bord d'attaque, -- pourvu du moyen de remplissage du caisson en matéri.au lé~er alvéolaire, - équipé du faisceau de stratifils formant longeron arrière du caisscn et de la seconde parti.e des tissus de fibres parallèles formant l'enveloppe du caisson, l'un d'eux étan-t également pourvu du matériau de remplissage à l'arrière de l'ossature en caisson, de l'élément en forme de coin 20 assuran-t la divergence des branches de la fourche susdite et de deux ~ièces mobiles de montage pour réserver les espaces séparant respectivement les branches de la fourche et celles de la chape sus~.it~.
25Selon ce procédé er. de manière avantageuse on proc~de à une première fermeture du moule pour compacter les éléments contenus dans les deux demi-moules, puis à la mise en pl.ace d'une coiffe metallique de protection du bord d'attaque et ~ l.a 30 fermeture du moule et son chauffage pour assurer la polymérisation des ré5ines d'imprégnation.
L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple : non limitatif qui permettra d'en dégager les . 35 avantages et les caractéristiq~les secondaires~

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7 l 31 l 1~5 Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une vue générale en plan de la pale selon l'invention partiellement s arrachée dans sa partie courante et partiellement coupée au niveau de son emplanture.
- La f igure 2 est une coupe partielle de la figure 1 selon la ligne II - II.
- Les figures 3 et 4 sont deux schémas 10 de deux variantes de réalisation de la pale au voisinage de son pied.
La f igure 5 illustre le remplissage du moule de réalisation de la pale par une coupe au niveau de sa section courante.
15- La f igure 6 montre le moule de la figure 5 fermé.
- La figure 7 illustre un détail de montage au niveau de l'emplanture à fourche de la pale.
20- La figure 8 est une section de la partie courante de la pale.
En se reportant tout d'abord à la figure 1 on voit une pale d'hélicoptère 1 en matériau composite selon l'invention dont la section de la 2S partie courante est représentée en détail à la figure 8. Cette pale comporte une ossature résistante formée de deux caissons de torsion 2 et 3 superposés du coté du bord d'attaque 4. Cette ossature est prolongée par une partie arrière voisine du bord de fuite 5 constituée essentiellement par un matériau de remplissage 6 (léger et alvéolaire tel qu'une mousse) l'ossature et le matériau de remplissage étant enfermés dans une enveloppe 7 formant la peau de la pale. Pour son 3s attache à un moyen de rotor; le pied de la pale est conformé en fourche 8 comportant donc deux branches .i~, espacees 8a et 8b (voir figure 2). Elle comporte egalement, à son pied, une chape 9 foxmée de deux branches (dont une 9a seulement est visible sur les figures 1 et 2). Elle comporte également une plaque s de protection 10 en forme de coiffe de son bord d'attaque 4 par exemple en acier inoxydable.
On voit sur la figure 8 que chacun des caissons 2 et 3 comporte un longeron avant lla, llb formé extérieurement au profil du bord d'attaque, en 10 un faisceau de fibres, appelés stratifils, préimprégné de résine de polymérisation, un longeron arrière 12a 12b dans le même matériau et un noyau intermédiaire 13a, 13b (une mousse alvéolaire).
L'ensemble des longerons et noyau de chaque caisson 15 est enveloppé dans au moins une couche préimprégnée de résine de tissus 14a, 14b de fibres (verre ou autre) parallèles et dont l'orientation est inclinée par rapport à l'axe longitudinal de la pale. Les couches susdites, dans leur partie jointive forment après polymérisation une paroi unique 15 qui constitue une liaison extremement stable des deux caissons entre eux.
On voit sur la figure 1, dans la partie de gauche en écorché le longeron lla de bord d'attaque 25 du caisson d'extrados, le noyau 13a, le longeron arrière 12a, une portion de l'enveloppe 14a qui remonte comme le montre la figure 8 au niveau de la peau de la pale pour se joindre à une autre extrémité de cette enveloppe. Cet ensemble repose 30 sur la paroi 15 susdite sous laquelle on trouve le longeron llk du bord d'attaque du caisson d'intrados, le noyau 13b et le longeron arrière 12b.
Une portion terminale arrière de l'enveloppe 14k est également représentée, qui reçoit avec la portion 35 terminale arrière de l'enveloppe 14a, la partie la plus épaisse du matériau de remplissage 6.

La partie de droite de la figure 2 represente le pied de pale duquel on a partiellement arraché le revêtement de peau. On voit de ce fait que l'armature de ce pied de pale, donc l'armature s de la fourche d'attache 8 qu'il comporte, est constituée par, pour chaque branche de fourche telle que 8a, la prolongation des longerons lla, llb et 12a, 12b susdits du caisson correspondant. On remarquera que ces longerons sont en fait chacun 0 constitués par un faisceau de stratifils replié sur lui-même autour d'une douille 16, 17 prévue à
l'extrémité des branches de la fourche. Chaque branche de fourche 8a, 8b (voir figure 2) possède une armature qui est la prolongation naturelle de chacun des caissons 2 et 3 de la partie courante de la pale. Il n'y a donc aucune discontinuité de structure entre la partie courante de la pale et sa partie d'attache, la zone de transition étant encore en forme de caisson de torsion tout à fait adapté au zo passage des efforts.
Sur la figure 2 on voit que les faisceaux 12a et 12b qui sont le long de la partie courante, (de même que les faisceaux lla et llb) adjacents à
la paroi 15, divergent de chaque côté d'un élement 25 18 en forme de coin pour former les branches de fourche. Il en est de même pour les enveloppes 14a et 14_ qui forment la paroi 15.
Le schéma de la figure 3 illustre le fait que chaque branche 9a, 9b de la chape 9, qui 30 comporte, de manière connue, une douille d'articulation 19, peut être intégrée au caisson de pied de pale. En effet, un faisceau supplémentaire 20 constitué de fibres repliées autour de la douille 19, est accolé au brin 21 du longeron arrière et la 35 rend solidaire de l'ensemble. Bien entendu, le ~3~ ~735 drapage par tissus de fibres parallèles en biais enveloppe également la douille.
La figure 4 représente une variante de réalisation de la figure 3 dans laquelle les 5 branches de la chape 9 sont constituées par un empilage de tissus préimprégnés conformé en une plaque épaisse 22 qui forme un renfort autour de la douille 19 et s'appuie sur le brin arrière 21 du faisceau 12a de stratifils correspondant. Cet 10 empilage est comme dans la figure précédente, enfermé dans l'enveloppe du caisson.
Les figures 5, 6 et 7 montrent schématiquement les différentes phases du procédé de moulage de la pale selon l'invention. Dans deux demi-moules 23 et 24 on met en place successivement:
- les tissus 25 préimprégnés de revêtement extérieur de la pale formant sa peau 7 avec les couches 25a de tissus à fibres parallèles orientées en biais sur l'axe longitudinal de la 20 pale. (formant une partie des enveloppes 14a et 14b susdites), - les faisceaux de stratifils 26 également préimprégnés formant respectivement les longerons avant lla et llk, - les pains 27 de mousse alvéolaire taillés au profil désiré qui forment les noyaux 13a et 13b, - les faisceaux de stratifils 28 préimprégnés formant les longerons arrière 12a, 12_ 30 des caissons 2 et 3, - les couches de tissus de fibres parallèles 29 préimprégnés qui forment la seconde partie des enveloppes 14a et 14b à l'intérieur de la pale et dont la plus grande surface sera réunie par 35 polymérisation en une paroi unique 15 formant semelle médiane pour la pale, 11 1 ;~ 1 1 7 3 5 - en~in dans l'un des demi-moules, un pain de mousse 30 qui forme le materiau de remplissage 6.
Avant de ~ermer le moule on aura egalement s mis en place tous les autres elements de remplissage nécessaires notamment ceux disposes entre les brins de chaque faisceau au droit des douilles 16 et 17 de la fourche d'attache, l'element de coin 18 de chaque côte duquel les faisceaux de stratifils divergent, les elements constituant la chape 9, les inserts metalliques et les pièces mobiles de moulage (noyaux) formant les reserves necessaires à la constitution des espaces separant les branches de la fourche 8 et de la chape 9. L'une de ces pièces 15 mobiles de montage est represente à la figure 7 par la reference 31. Elle sert egalement au maintien en place de la pièce en coin 18 separant les deux branches 8a, 8b de la fourche 8.
Le moule ainsi equipe est ferme une 20 première fois comme le montre la figure 6 pour proceder à un compactage des divers elements mis en place. Ouvert ensuite pour y mettre en place la coiffe 10 profilee de protection du bord d'attaque, il est à nouveau ferme pour l'execution de la 25 polymerisation par apport de chaleur.
La pale obtenue par ce procede presente de nombreuses qualites quant à la resistance aux efforts à laquelle elle est soumise car son ossature resistante presente quatre longerons disposes autour de l'axe de pas (qui se situe en general au quart avant de sa corde), trois semelles (extrados, intrados et paroi mediane 15) et des liaisons nombreuses continues et homogènes (exemptes de tout apport de colles ou film de nature differente des 35 resines) entre ces eléments resistants.

12 ~ 7 3 5 L'invention trouve une application intéressante dans le domaine de la construction aéronautique~

Claims (7)

1. Pale (1) en matériau composite pour rotor d'hélicoptère constituée au voisinage de son bord d'attaque par une ossature résistante en caissons (2, 3) sensiblement centré au quart avant de sa section courante transversale, caractérisée en ce que cette ossature comprend deux caissons longitudinaux (2, 3) superposés, chacun d'eux étant constitué par un longeron (11a, 11b) avant et un longeron (12a, 12b) arrière formés d'un faisceau de stratifils en fibres préimprégnées de résine, par un noyau (13a, 13b) de remplissage en matériau léger disposé entre les deux longerons et par une enveloppe (14a, 14b) renfermant longerons et noyau comprenant au moins une couche de tissus en fibres parallèles, disposés en biais par rapport à l'axe longitudinal de la pale, de manière à former un caisson de torsion, les deux caissons (2, 3) étant solidarisés par polymérisation simultanée des parties (15) superposés et jointives de leur enveloppe respective, tandis qu'à l'arrière de l'ossature est disposé un élément de remplissage (6) et qu'un revêtement extérieur (7) enveloppe l'ensemble de l'ossature et de l'élément de remplissage.

2. Pale selon la revendication 1 caractérisée en ce que, le pied de pale étant prolongé par une emplanture en forme de fourche (8) à deux branches (8a, 8b), l'armature de chaque branche de la fourche est constituée par l'extrémité
des longerons (11a, 11b, 12a, 12b) de chaque caisson, l'extrémité des longerons du caisson supérieur (2) divergeant angulairement de l'extrémité des longerons du caisson inférieur (3), à une distance appropriée des extrémités des branches de ladite fourche, de part et d'autre d'un matériau de remplissage (18) en forme de coin.

3. Pale selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque longeron (11a, 11b, 12a, 12b) est constitué par un faisceau de fibres replié sur lui-même autour d'une douille (16, 17) d'attache de la pale (1) sur le moyeu du rotor, disposée à l'extrémité de chacune des branches (8a, 8b) de la fourche susdite.

4. Pale selon la revendication 3 caractérisée en ce que, la pale (1) comportant au voisinage de son pied une chape (9) d'attache d'un organe de commande ou d'amortissement dont chaque branche (9a, 9b) est pourvue d'une douille (19) d'articulation, un faisceau supplémentaire (20) entoure ladite douille en étant accolé au brin arrière (21) du longeron arrière (12a, 12b) de chaque caisson (2, 3).

5. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, la pale (1) comportant au voisinage de son pied une chape (9) d'attache d'un organe de commande ou d'amortissement, dont chaque branche (9a, 9b) est pourvue d'une douille (19) d'articulation, chacune des douilles est drapée dans un empilage de tissus (22) de fibres prenant appui contre le longeron (12a, 12b) arrière correspondant et recouvert par l'enveloppe du caisson.

6. Procédé de fabrication d'une pale d'hélicoptère selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'assemblage de ses différents éléments constitutifs et la polymérisation des résines qui les imprègnent sont réalisés dans un moule unique constitué de deux demi-moules rigides (23, 24) dont l'empreinte correspond au profil de la pale, chacun d'eux, préalablement à la fermeture du moule, étant successivement:
- nappé des couches de peau (25) de la pale et d'une partie (25a) des couches de fibres parallèles constituant l'enveloppe du caisson, - équipé du faisceau de stratifils (26) situé au bord d'attaque, - pourvu du noyau de remplissage (27) du caisson en matériau léger alvéolaire, - équipé du faisceau de stratifils (28) formant longeron arrière du caisson et de la seconde partie (29) des tissus de fibres parallèles formant l'enveloppe du caisson, l'un d'eux étant également pourvu du matériau de replissage (3b) à l'arrière de l'ossature en caisson, de l'élément en forme de coin (18) assurant la divergence des branches de la fourche susdite et de deux pièces mobiles (31) de montage pour réserver les espaces séparant respectivement les branches de la fourche et celle de la chape susdite.

7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on procède à une première fermeture du moule pour compacter les éléments contenus dans les deux demi-moules, puis à
la mise en place d'une coiffe (10) de protection du bord d'attaque et à la fermeture du moule et son chauffage pour assurer la polymérisation des résines d'imprégnation.