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Perfectionnements aux propulseurs à réaction applicables particulièrement aux hélicoptères (invention de Friedrich L. DOBLHOFF).
La présente invention a pour objet des perfectionne- ments aux propulseurs à réaction, qui conviennent tout par- ticulièrement aux hélicoptères parce que c'est dans cette application qu'ils procurent le maximum d'avantages, mais qui peuvent aussi être mis en oeuvre sur des avions ordinai- res.
On sait que l'emploi de la réaction dans les héli- coptères permet d'éviter le couple qui se manifeste avec l'entraînement mécanique du rotor et de supprimer les dispo- sitifs anti-couple tels que les hélices de queue ou les dou- bles rotors. On évite en outre le poids, le coût de construc- tion et l'entretien du moteur à pistons et des réducteurs à pignons, embrayages, arbres, etc...
On a déjà proposé des'propulseurs à réaction qui comportent un compresseur. entraîné par une turbine ; celle- ci utilise une partie de la pression fournie par le compres- seur et une partie de l'énergie produite par des brûleurs placés entre la turbine et le compresseur, les'gaz d'échappe- ment de la turbine étant conduits à travers le moyeu et des tuyauteries des pales vers des tuyères situées à l'extrémité de celles-ci où ces gaz sont finalement détendus en fournis- sant la réaction qui produit la rotation voulue des pales.
Ces propulseurs connus présentent divers inconvénients graves.
La turbine nécessite en effet une température élevée pour donner un bon rendement. Or l'obtention d'une tempéra-
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ture élevée est difficilement réalisable pour les raisons suivantes : par suite de la grande température et-de la faible pression, le volume spécifique des gaz d'échappement est si grand que les pales de l'hélicoptère devraient être beaucoup plus grandes que celles résultant de l'adaptation aérodynamique optimum, en particulier si' l'on considère le fait que la propulsion par réaction nécessite de grandes vitesses linéaires à l'extrémité des pales.
Il est difficile de réaliser le. moyeu, avec ses ca- nalisations et ses joints articulés conduisant les gaz dans les pales, pour qu'il puisse fonctionner à haute températu- re. Il en est de même pour les pales.
Le refroidissement produit par les grandes surfaces des pales consomme beaucoup d'énergie.
Cette difficulté n'existe pas avec des turbines dis- posées dans les extrémités des pales mais cette disposition soulève alors de sérieux problèmes gyroscopiques et de poids (inertie des pales).
Le perfectionnement principal qui fait l'objet de l'invention consiste à utiliser, comme fluide de réaction de l'air comprimé pris entre le compresseur et les brûleurs, ces derniers servant alors à chauffer le reste de l'air . comprimé qui va travailler dans la turbine actionnant le compresseur. De préférence, l'air envoyé aux tuyères de réac- tion est d'abord réchauffé dans un échangeur traversé par les gaz d'échappement de la turbine et récupérant la chaleur véhiculée par ces gaz.
Ce perfectionnement présente plusieurs avantages.
Tout d'abord le cycle thermodynamique est, au point de vue du rendement, presque indépendant de la pression du compres- seur et de la température des brûleurs. On peut utiliser des compresseurs à basse pression et, par conséquent,légers.
La température de la turbine peut être plus faible que celle qui'est habituellement nécessaire ce qui, au point de vue de la résistance des matériaux, procure de sérieux avantages de sécurité, très importants en aéronautique d'une façon générale, qu'il s'agisse d'hélicoptères ou d'avions ordinai- res. Du fait que la turbine fonctionne à la pression atmos- phérique, il est d'ailleurs facile de prévoir un refroidis- sement de-son rotor, par exemple au moyen d'un petit venti- lateur spécial combiné avec ledit rotor et aspirant l'air atmosphérique ou bien en réalisant les aubages mobiles eux- mêmes de manière qu'ils forment ventilateur centrifuge.
Dans un hélicoptère, la section des canaux ménagés dans les pales de la voilure tournante pour conduire le fluide de réaction peut être petite par suite de la haute pression du fluide et de sa faible température, même en tenant compte de la nécessité de réduire au minimum les per- tes par frottement. L'invention permet donc d'éviter une augmentation de la section des pales au-delà de la valeur utile au point de vue aérodynamique. Le fluide transporté à travers le moyeu et les pales du rotor de l'hélicoptère, est de l'air chaud, ce qui évite les difficultés.causées par des résidus de combustibles non brûlés. La température des pales est modérée.
Le libre échappement des gaz de la turbine produit une petite poussée et ces gaz étant refroidis, on peut les utiliser. pour gouverner l'hélicoptère autour d'un axe ver- tical, en les faisant souffler sur des gouvernes ou en les
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conduisant à des tuyères de réaction réparties à babord et à tribord.
D'autres particularités de l'invention seront indi- quées dans la description qui va suivre en regard du dessin donné à titre d'exemple, étant entendu, qu'aussi bien les particularités représentées au dessin, que celles ressor- tant de la description, font partie de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique en coupe vertical= de la voilure tournante d'un hélicoptère et du dispositif à compresseur et turbine à gaz engendrant le fluide de réac- tion.
-Les fig. 2 et 3 sont des vues en perspective avec arrachement partiel des extrémités des pales de la voilure tournante, montrant deux variantes de réalisation.d'un dis- positif de réglage des tuyères de réaction.
La fig. 4 représente une variante de réalisation de la fig. 1 dans laquelle l'axe de la turbine est verti- cal; cette figure montre aussi un dispositif de frein dou- ble permettant de faire tourner l'hélicoptère autour d'un axe vertical en vol stationnaire.
La fig. 5 représente un dispositif permettant de souffler les gaz d'échappement de la turbine sur des gou- vernes.
La fig. 6 représente en coupe transversale un mode de réalisation d'une pale élastique pour hélicoptère.
La fig. 7 est une coupe longitudinale partielle de cette pale.
La fig. 8 est une coupe transversale d'une variante ' de pale rigide.
La fig. 9 représente un propulseur à réaction con- forme à l'invention, appliqué à un avion ordinaire.
Dans le mode de réalisation de l'invention repré- senté sur la fig. l, l'air venant du compresseur 1 passe entre les tubes de l'échangeur de chaleur par surface 2, tubes qui sont eux-mêmes parcourus intérieurement par les gaz d'échappement de la turbine à gaz 3 qui entraîne le compresseur. (Cette disposition n'est évidemment indiquée qu'à titre d'exemple). L'air ainsi réchauffé par les gaz d'échappement sort de l'échangeur par les tubulures 4 et se divise en deux flux. L'un de ce.s flux traverse la partie fixe du moyeu 5 du rotor 6 de l'hélicoptère et passant par les canaux longitudinaux 7, ménagés dans les pales de ce dernier, vient s'échapper par les tuyères de réaction 8, dis- posées à l'extrêmité des pales le long du bord de fuite.
Le deuxième flux d'air sortant de l'échangeur est conduit par la tuyauterie 9 vers le distributeur de la turbine à gaz 3 pour actionner celle-ci. Au préalable, il est chauffé à haute température par des moyens appropriée par exemple par des brûleurs à combustible liquide 10. Les gaz ayant travail- lé dans la turbine s'échappant à l'atmosphère en traversant, comme il a été dit, les tubes de l'échangeur 2.
Il est bien évident que de nombreuses modifications peuvent; être apportées au dispositif qui vient d'être décrit 'dans son principe. Ainsi, on ne sortirait pas du cadre de l'invention, si l'on effectuait un chauffage modéré, par de petits brûleurs, des résistances électriques ou tous au- tres dispositifs, du flux d'air envoyé aux tuyères de réac-
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tion des pales, le chauffage par 'les brûleurs principaux n'étant effectué que sur le flux qui va à la turbine à gaz.
De tels brûleurs ou autres dispositifs de chauffage ; peuvent être utiles pour augmenter la poussée, au prix d'une consommation supplémentaire de combustible, dans les cas où l'on a besoin d'un excédent de puissance, pendant quelques instants. On peut les placer dans les extrémités des pales de la voilure tournante, un peu avant les tuyères de réaction 8. On voit que la turbine travaille à la pres-- sion atmosphérique. Il est donc facile de refroidir ses au- bes et l'on a représenté sur le dessin un petit ventilateur de refroidissement 11 entraîné par la turbine et aspirant l'air extérieur par une tubulure centrale 12. Cet air vient lécher le rotor de la turbine en le refroidissant et s'é- chappe ensuite par l'espace annulaire 13.
On pourrait aussi rendre creux les aubages du rotor de la turbine et les per- cer au centre et à la périphérie de manière que ces aubages aspirent l'air au centre et le projettent à l'extérieur à la manière d'un ventilateur centrifuge.
Il est bon de prévoir sur les tuyères 8 un dispo- sitif de réglage permettant de faire varier la section des tuyères avec la vitesse périphérique des pales. Ce disposi- tif peut être organisé de manière à maintenir automatique- ment constante cette vitesse.
Un dispositif de ce genre est représenté sur la fig.
2 qui montre en perspective l'extrémité d'une pale de la voilure tournante. Les tuyères de réaction 8 qui terminent les tuyauteries 7 ménagées dans la pale sont associées à deux volets 14 qui peuvent pivoter autour d'axes 15. L'os- cillation de ces leviers est commandée par des guignols 16 et des bielles 17 reliées à l'un des bras d'un levier coudé
18, pouvant pivoter autour d'un axe fixe 19 et dont l'autre bras porte un contrepoids 20 et est sollicité par un ressort
21.
Pour une vitesse de rotation donnée des pales, le levier
18 prend une position telle qu'il y ait équilibre entre la force centrifuge exercée sur le contrepoids 20 et le ressort antageniste 21. quand la vitesse de rotation des pales dimi- nues au-dessous de la valeur voulue, l'équilibre est rompu et le contrepoids 20 se déplaçant vers l'axe du rotor l'ou- verture des volets augmente et, le débit de fluide augmen- tant, le couple de rotation imprimé aux pales croit. Inver- sement, quand la vitesse de rotation des pales devient trop grande, les volets se ferment en réduisant le débit des tuyè- res et, corrélativement, le couple. Un amortisseur 22 a pour but d'atténuer les oscillations trop rapides des volets 14.
Quand les volets 14 en s'ouvrant augmentent la sec- tion libre des tuyères 8, le compresseur d'air 1 tend à dé- biter une masse de fluide plus grande et par conséquent à consommer plus de puissance. On peut lui fournir ce supplé- ment de puissance au moyen d'un dispositif automatique con- servant à la turbine 3 et par suite au compresseur un régime de rotation constant en se servant par exemple de la pression de refoulement de la pompe à huile qui est entraînée par l'arbre de la turbine et sert à lubrifier les paliers, ou encore d'un régulateur centrifuge entraîné par le dit arbre.
On peut faire agir le facteur de régulation choisi : pression d.'huile ou force centrifuge, sur le réglage du débit de com- bustible fourni aux brûleurs 10, ou encore sur le pas des aubages du distributeur fixe de la tnrbine si ces aubages sont à pas variable.
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Le réglage de la section des tuyères peut aussi être commandé-par la pression dynamique de l'air extérieur, le régime du rotor dépendant alors de la, vitesse d'extrémité des pales et de la densité de l'air, de sorte que, dans l'air à densité moins forte (augmentation de l'altitude), le régime du rotor augmente automatiquement, ce qui est dé- sirable.
La fig. 3 représente un mode de réalisation de ce genre.
La pression dynamique engendrée par la vitesse d'ex- trêmité des pales et la densité de l'air est prise au moyen d'un tube de Pitot 23 disposé sur.le bord d'attaque des pales et elle est transmise au piston 24 se déplaçant dans le cylindre 25 et chargé par un ressort antagoniste.
Ce piston ouvre les volets 14 placés devant les tuyères de réaction lorsque la vitesse des pales ou la pression atmos- phérique diminuent. Si'le tube 23 a un faible diamètre, il peut produire un amortissement semblable à celui exercé par l'amortisseur 22 de la fig. 2.
Le démarrage du moteur à réaction peut être obtenu au moyen d'un moteur électrique du bien en l'attaquant à la manivelle par l'intermédiaire d'un démultiplicateur.
Pour faciliter ce démarrage, il est bon de prévoir sur la , tubulure allant aux pales un papillon 26 que l'on fermera,. lors du démarrage, pour permettre à la totalité de l'air comprimé de passer dans la turbine.
Dans la disposition représentée sur la fig. 1 l'ar- bre de la turbine et du compresseur est supposé horizontal.
On peut aussi placer cet arbre verticalement et en particu- lier, le disposer dans l'axe du moyeu 5 de,la voilure tour- nante. Cette dernière disposition permet d'utiliser l'effet gyroscopique de la turbine et du compresseur qui tournent à grande vitesse pour concourir à la stabilité de l'hélicop- tère, tout en supprimant ou réduisant les masses gyroscopi- ques que l'on a déjà utilisées dans ce but et qui, tournant à la vitesse de la voilure tournante, sont rëlativement importantes. La masse du gyroscope stabilisateur pourra se réduire à celles de la turbine et de la roue du compresseur éventuellement augmentées de celle d'un léger volant. Cette disposition facilite aussi la mise en oeuvre d'un frein double permettant une commande de direction de l'hélicoptère.
La fig. 4 représente schématiquement en élévation et en coupe un dispositif de ce genre, dans lequel le fuse- lage,est supposé suspendu par un joint de cardan 5a au moyeu creux autour duquel tourne la voilure 6 et qui porte l'ensemble de la turbine et du compresseur, dont l'arbre est coaxial à ladite voilure..
Des ,patins de frein 27 et 28 peuvent être appliqués par des cylindres.hydrauliques 29 et 30 sur des couronnes
31 et 32 entraînées respectivement par la voilure tournante et par la turbine en sens inverse de la voilure tournante.
(Cette couronne 32 peut être par exemple solidaire du rotor de la turbine, dont les aubages auront une direction conve- nable pour tourner en sens inverse de la voilure).
Dans ces conditions, lorsque le patin 28'est appli- qué contre la couronne 32, l'hélicoptère tend à tourner en sens inverse de la voilure, Au contraire, l'application du frein 27 permet de faire tourner l'hélicoptère dans le sens de la voilure.
Les deux freins sont commandés par deux cylindres
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hydrauliques distincts 29a et 30a dont les pistons sont atta- qués par les deux extrémités d'un levier à main 33 pivotant autour d'un point fixe 33a, de manière que l'on ne puisse agir chaque fois que sur l'un des freins, selon la rotation à obtenir.
Il est évident qu'un tel dispositif de frein, qui est particulièrement commode à mettre en oeuvre dans le cas où l'axe géométrique du rotor et de la turbine coïncide avec celui de la voilure, pourrait aussi s'appliquer au mode de réalisation. décrit sur la fig. 1.11 suffirait dans ce cas de relier par un moyen d'entraînement convenable, à l'arbre de la turbine et du compresseur, la couronne 32 distincte de la turbine et coaxiale à la voilure tournante.
Au lieu d'un frein hydraulique, on peut évidemment utiliser tout autre système de frein.
Il convient de noter que dans le mode de réalisation de la fig. 4, on a supposé que l'échappement de la turbine se faisait au-dessous de l'appareil (au-dessous de son cen- tre de gravité). Ceci permet d'utiliser la poussée des gaz pour obtenir un supplément de sustentation, qui pourrait être accru en cas de besoin en augmentant le débit du com- presseur, par exemple par une augmentation du débit de com- bustible.
La maniabilité de l'hélicoptère autour d'un axe vertical en vol stationnaire peut aussi être obtenue comme représenté fig. 5 en faisant souffler les gaz d'échappement sortant de l'échangeur 13, par un ajutage convenable 35, sur le gouvernail 36 de l'hélicoptère. On pourrait aussi utili- ser cet échappement en réaction dans des tuyères disposées sur le fuselage, suffisamment loin du centre de gravité de l'appareil et débouchant des deux côtés du plan vertical de symétrie, un vannage permettant de diriger les caz soit dans les tuyères de bâbord, soit dans celles de tribord, selon la rotation à effectuer.
Les pales de l'hélicoptère dans lesquelles sont - ménagés les canaux conduisant le fluide aux tuyères peuvent être rigides, élastiques ou articulés, selon les techniques connues.
, Dans le cadre de l'invention, une pale élastique permettant de conduire à son intérieur le fluide de réac- tion peut être réalisée comme représenté en coupe transver- sale sur la fig. 6 et en coupe longitudinale partielle fig.
7 . Cette pale comporte un revêtement interne 37 er acier, muni de cannelures 38 disposées annulairement qui donnent . au revêtement interne une grande résistance à la pression interne tout en laissant une élasticité considérable sous l'effet de la flexion. Les efforts de flexion sont supportés par le revêtement externe 39 qui peut être en une matière à faible coefficient d'élasticité, comme les matières plas- tiques ou l'aluminium. Ce revêtement externe 39 s'appuie sur les cannelures 38 et l'intervalle 40 entre les deux surfaces peut être rempli par une matière isolante.
Dans le cas d'une pale rigide, on disposera un lon- geron er acier 41 supportant les efforts de flexion et, sur ce longeron, on fixera de part et d'autre, pour constituer les bords d'attaque et les bords de fuite, des nervures 42 soudées électriquement sur le longeron ou fixées de tout autre façon. Les tubes 7 amenant l'air aux tuyères de réac- tion situées au bout de la pale peuvent être disposés dans les nervures et dans le longeron. La paroi de ces tubes
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est déterminée de manière à résister aux tensions produi- . tes par la pression intérieure mais non aux efforts de fle- xion. Ellè peut donc être mince, ce qui permet de gagner du poids..
La pale est finalement habillée par un revêtement externe 44 entourant le longeron et les nervures et en toute matière appropriée.
La fig. 9 représente en coupe axiale un propulseur à réaction conforme à l'invention, appliqué à un avion' ordinaire. Le vent relatif entre par l'ouïe 45, il est pris par le compresseur 1, traverse l'échangeur 2 et se divise en 2 flux, comme décrit, l'un vers les brûleurs 10 et la turbine 3, l'autre vers la tuyère de réaction 46 débouchant vers l'arrière de l'avion. Les gaz d'échappement de la tur- bine ayant traversé l'échangeur 2, sortent par la tuyère
47. Un ventilateur 11 aspire en 12 de l'air froid pour le refroidissement de la turbine et cet air est également re- jeté en 13 vers l'arrière. Des brûleurs supplémentaires peuvent être disposés en amont de la tuyère, 46 pour produi- re un-accroissement de poussée quand le besoin s'en fait sentir.
Il va d'ailleurs de soi que les modes de réalisation décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemples 'et qu'ils pourraient être modifiés, notamment par substitution d'é- quivalents techniques, sans que l'on sorte pour cela du cadre de l'invention.
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