[PDF] Prévision des charges aéromécaniques des rotors dhélicoptère

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Numéro d'ordre: 2012ISAL0025Année 2012

T h ese

Présentée devant

l'InstitutNationaldesSciencesAppliqu´ees del yon

Pourobtenir

L eGrade deDocteur E coleDoctorale: M´ecanique, Energ´etique, G´enieCivil, Acoustique S p

´ecialit´e: M´ecanique

Par

Guilhem LEBEL

Ingénieur INSA

Prévision deschar gesaéromécaniquesdes rotorsd'hélicoptère

Applicationaux palesà doubleèche

Thèse soutenuele 23mars 2012de vant laCommission d'Examencomposéede:

Dr.COSTES MichelONERA MeudonRapporteur

Pr.DEU Jean FrançoisCNAMP arisRapporteur

Pr.GUY ADERJean-LouisINSA deLyon Président

Pr.DUFOUR RégisINSA deL yon Directeur

Pr.J ACQUET-RICHARDETGeorgesINSAdeLy onCo-Directeur

Dr.MA UCHERChristophEUROCOPTERDeutschland

Ing.BENOIT Bernard EUROCOPTERMarignane

LaMCoS -UMR CNRS5259 -INSA deL yon

20, avenueAlbertEinstein,69621 Villeurbanne Cedex (FRANCE)Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2012ISAL0025/these.pdf

© [G. Lebel], [2012], INSA de Lyon, tous droits réservés

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SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE

CHIMIE

CHIMIE DE LYON

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Insa : R. GOURDON

M. Jean Marc LANCELIN

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INFOMATHS

INFORMATIQUE ET

MATHEMATIQUES

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Université Claude Bernard Lyon 1

LIRIS - INFOMATHS

Bâtiment Nautibus

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Matériaux

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Secrétaire : Mériem LABOUNE

INSA de Lyon

École Doctorale Matériaux

Bâtiment Antoine de Saint-Exupéry

25bis Avenue Jean Capelle

69621 VILLEURBANNE

Tel : 04 72 43 71 70 Fax : 04 72 43 72 37

ed.materiaux@insa-lyon.fr MEGA

MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE

CIVIL, ACOUSTIQUE (ED n°162) M. Philippe BOISSE

Secrétaire : Mériem LABOUNE

INSA de Lyon

École Doctorale MEGA

Bâtiment Antoine de Saint-Exupéry

25bis Avenue Jean Capelle

69621 VILLEURBANNE

Tel : 04 72 43 71 70 Fax : 04 72 43 72 37

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ScSo ScSo*

M. OBADIA Lionel

S ec : Viviane POLSINELLI

Insa : J.Y. TOUSSAINT

M. OBADIA Lionel

Université Lyon 2

86 rue Pasteur

69365 LYON Cedex 07

Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48

Lionel.Obadia@univ-lyon2.fr

*ScSo : Histoire, Geographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie

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RESUME

Les récentesrecherches surles rotorsd'hélicoptère conduisentau développement depales denouv elle

génération présentantdes géométriescourbes. Ladouble èchede lapale BlueEdge

TMproposée parEu-

rocopter imposede reconsidérerles outilsde calculdes charges rotorspour déterminerle torseurdes

e

orts appliquésaux paleset auxéléments constitutifsdu moyeu rotoran desatisf aireaux exigences

de conceptionet decertication. Leschar gesrotors sedécomposent encontributionsaéro- etélasto-

dynamiques prisesen comptepar desmodélisations distinctes.

La thèsevise àdénir uneméthodologie decalcul dechar gesapplicable auxpales àdouble èche.Ainsi

sont présentésles modèlesaérodynamiques bi-dimensionnelspour calculerles vitessesinduites durotor

et déterminerla répartitiondes e orts aérodynamiquessur lerotor .Le calculdescharges rotornécessite

de recourirà desmodèles élasto-dynamiques.En résolvant leséquations dela dynamiquedessolidespour

un systèmemécanique, lecode demécanique duv olHOST considèreune modélisationélastique depale

pour déterminerle torseurdes e orts, lese orts decommande étantfournis parl'ensemble biellede pas

et plateauxc ycliques.Lecomportementnon linéairedes adaptateursde traînéeinterpales estdécrit par

des modèlesde forcede restitution.

Ces travauxontutilisédes caractérisationse xpérimentalessur desmachines detraction delaboratoire

ainsi quedes essaisen vol and'év aluerleniv eaude représentativitédesoutils etméthodes proposés.

La miseen oeuvrede l'ensemblede cesmodèles déterminea vec satisfaction leschar gesdynamiques du

rotor pourdes vols stabilisés. M otsClefs: Mécaniquedu vol, chargesrotor, modèlesdevitessesinduites, CFD,HOST,elsA, modèles rhéologiques, amortissementvisqueux, équilibredynamique derotor .

ABSTRACT

Newgeneration bladesha ve ledtonewloadcomputation problemsdue tothe evolutionof thegeneral shape, withforw ardandbackward sweep.The BlueEdge

TMblade pattentedby Eurocopterimposes to

reconsider thede velopmentmethodologyandthusit isno longerpossible tospeak ofstraight bladesand the modelsused forload computationha ve tobe evaluated. The objectiveofthisthesis isto determinewhat hasto bemodied andimpro ved incurrent loadcomputa- tion methodologyin orderto reachan acceptablepredicti ve lev el.This workconsidersbothaerodynamic and dynamicmodels implementedin theHOST multi-bodycomputer code.The aerodynamicsmodels are based onthe hypothesis ofatwo dimensionalo w. Theuseofthe CFDsoftw areelsAis evaluated.At- tention isgi ventorotordynamicsmodels thatha ve animpact onloads, suchas lead-lagdampermodels, blade elementmodels andhub models.This thesispresents thedi erent modelsand giv esorientations relating toe cient loadcomputation methodology. The aerodynamicsmodels arecompared towindtunnels experiments fromthe literature.This studyleads also toperform ighttests andto inv estigate thedampers behaviorontestbenchesinorderto confrontthe computed loadsto thereality ofthe helicopteroperation. Theproposed methodologyis ableto compute with agood accuracy rotorloadsforstabilized ightcases. K eyWords: Flightmechanics, rotorloads, inow models,CFD, HOST,elsA, dampingmodels, viscous damping, rotordynamics. 5

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REMERCIEMENTS

Si letra vaildethèsefait l'objetd'une démarchepersonnelle, j'aipuréaliserau coursde cestrois

années combienl'entourage professionnelet personnelest importantpour menerà bienun telprojet.

En premierlieu, jev oudraisremercier ceuxquiontcollaboré deprès oude loinà mestra vaux, ceuxqui

m'ont soutenudans laréalisation dece mémoire,et ceuxqui ontété présentsà mescôtés pendantces

trois ans.

Ces travauxontétéréalisés ausein duLaboratoire deMécanique desContacts etdes Structuresde

l'INSA deL yon,UMR5259,dont jeremercie ledirecteur David Dureisseixpour sonaccueil, ainsique l'ensemble del'équipe Dynamiqueet Contrôledes Structures. Je remercietrès sincèrementRégis Dufouret Georges Jacquet-Richardet,Professeurs del'INSA de

Lyonpour leurencadrement etleur soutien.

Le ProfesseurJean-François Deüdu CNAM Paris etleDocteurMichel Costesdel'ONERA DAAP

ont acceptéd'être lesrapporteurs dema thèse,je leuren suisreconnaissant. Aussi,je remerciele

Professeur Jean-LouisGuyader poura voir acceptédeprésiderlejury. Je remerciela sociétéEurocopter etmon responsableLaurent Scannapiecopour av oirrendu possible cette thèse,Bernard Benoitpour sesconseils avisés etle tempsqu'il asumeconsacrer ,et Christoph

Maucher poura voiracceptéd'êtremembredu jury. J'exprime uneattention particulièreà l'endroitdeYan

Skladanek, quim'a accompagnépendant sathèse età GiulianoGiraudo poursa collaboration.Aussi, je

retiens mescollègues, David Alfano,Olivier Boussard,AntoineBaud,Guillaume Depommier,Frederic Beroul, XavierCottenotet SebastienFinck pourles échangesque l'ona pua voir ,ainsi quel'ensemble des personnelsdu serviceaérodynamique av ecqui j'aieul'occasiondetrav ailler. La sociétéSIMP ACKetsondirecteurFrançois Barralont soutenuune partiede mestra vaux, qu'ils en soientremerciés. Qu'il mesoit permisd'adresser unsalut particulieret desouhaiter unbon courageà Debbie,Thomas,

Nicolas etHadrien pourla nde leurthèse.

Aussi, jene pourraisoublier Damien,Rémy ,Martin, Kévin,V ictoretBenjaminqui m'onthéber gé,

soutenu etdistrait aucours demes séjoursdans lacapitale desGaules. Enn, jeterminerai parune penséepour maf amille,pour Emilieet pourEmy pourtoutcequ'ils m'ont apporté etce qu'ilsm'apporteront. 7

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AVANTPROPOS

Ce doctorata étée

ectué dansle cadred'une collaborationindustrielle associantle Laboratoirede Mécanique desContacts etdes Structuresde l'INSAde Lyon (LaMCoS- UMR5259) àEUR OCOPTER. La ConventionIndustrielledeF ormationpar laRecherche (CIFRE)associantunlaboratoire, un

industriel etun doctoranta permisde bénécierà lafois desconnaissances etcompétences duLaMCoS

et desoutils etmo yensde calculdisponibleschezEUR OCOPTER.Les professeursRégis Dufouret GeorgesJacquet-Richardet duLaMCoS ontassuré l'encadrementacadémique alorsque BernardBenoit, experten aérodynamiqueauprès d'EADSa menél'encadrement industriel.

Du faitde contraintesindustrielles quantà lapr opriétéet lacondentialité desrésultats de

cette étude,certaines donnéesnumériques desgur esde cerapport nesontpascommuniquées publiquement. Toutepersonnesouhaitant av oiraccès àcesinformationsdevra semettr een relation avecEUROCOPTER :

EUROCOPTER- Service Aérodynamique

AéroportInter nationalMarseillePro vence

13725 MarignaneCedex France

Téléphone :+33 (0)442 8585 85

9

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Tabledes matières

Liste desFigur es14

Nomenclature19

1 Introduction27

2 Mécaniquedu vol 37

1 Généralitésaérodynamiques . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 38

1.1 Principede sustentationdu rotor. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 38

1.2 Puissancedu rotor. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .40

1.3 Congurationsde vol . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 41

1.4 Rotoranti-couple . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 44

1.5 Notionscomplémentaires propresà l'aérodynamiquede l'hélicoptère. .. .. .. 44

1.6 Synthèse. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 45

2 Mécaniquedu rotorarticulé . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .46

2.1 Sollicitationsmécaniques durotor . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .46

2.2 L'articulationdepas . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 47

2.3 L'articulationdebattement . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .47

2.4 L'articulationdetraînée . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 50

2.5 Laliaison K. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .52

2.6 L'adaptateurdetraînée . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .52

3 Lerotor d'hélicoptère. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 53

3.1 Technologiesderotor . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 53

3.2 Lachaîne decommande . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 55

4 Synthèse. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .56

3 Modèlesaér o-dynamiquespourler otor57

1 Aérodynamiqued'un corps. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .58

1.1 Comportementaérodynamique duprol . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 58

1.2 Variablesdecomparaisons aérodynamiques. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 61

2 Modélisationde l'aérodynamiquedu rotor. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .61

2.1 Modèlesde vitesseinduite surl'harmonique fondamental. .. .. .. .. .. .. .62

2.2 Modèlede vitesseinduite dynamiquesur plusieursharmoniques -FiSUW . .. .. 66

2.3 Modèlede vitesseinduite av ecsillage prescrit-METAR. .. .. .. .. .. .. .69

2.4 Comparaisondes vitessesinduites calculéespar lesmodèles Meijer-Drees, Fi-

SUW etMET AR. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 73

2.5 Calculdu chargement aérodynamiquedelapale . .. .. .. .. .. .. .. .. .75

2.6 Synthèse. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 76

3 Aérodynamiquenumérique . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .77

3.1 Formulationdeséquations deNa vier-Stok es. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 77

3.2 Modèlesturb ulents. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .80

11

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TABLEDES MATIÈRES

3.3 Calculde l'écoulementen vol stationnaire. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .82

3.4 Calculd'écoulement env old'a vancement. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .85

3.5 Validationducalcul dese

orts aérodynamiquespour lerotor 7Aen vol d'av ance- ment. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 87

3.6 Applicationau calculdes charges aérodynamiquesde lapaleBlueEdge

TM. .. .. 92

4 Synthèse. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .96

4.1 Miseen oeuvrepratique dela CFD. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 96

4.2 Couplagesaéro-mécaniques av eclaCFD. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .97

4.3 Qualitésdes modèlesaérodynamiques bi-dimensionnels. .. .. .. .. .. .. .98

4 Modélisationsélasto-dynamiques duRotor 101

1 Modélisationde lapale -Modèle PALE . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 101

1.1 Dénitiondes caractéristiquesde lapale . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 102

1.2 Modèlede palemono corps(P alerigide) . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .102

1.3 Modèlede palemulti-corps articulés(P aleélastique) . .. .. .. .. .. .. .. .103

1.4 Discussionsur lesh ypothèsesdu modèle. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .106

2 Modélisationdu moyeu rotorprincipal(MRP). .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .108

2.1 Stratégiesde modélisation. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .110

2.2 Confrontationdes approches. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 113

3 Modélisationde lachaîne decommande -modèle PLATEA U. .. .. .. .. .. .. .. .114

4 Modélisationsde l'adaptateurde traînée- ModèleAD APTA TEUR. .. .. .. .. .. .. 116

4.1 Descriptionde l'adaptateur. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .116

4.2 Généralitéssur lecomportement nonlinéaire endée xionet température. .. .. 116

4.3 Expériencede caractérisation. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .118

4.4 Modèlesde l'adaptateurde traînée. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .122

5 Chargesrotor :simulationsnumériqueset mesures 131

1 Outilde simulationnumérique pourle calculde charge :HOST . .. .. .. .. .. .. .. 132

1.1 Chargesrotor: dénitions. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .132

1.2 Fonctionnementetarticulation desmodèles dansle logicielHOST . .. .. .. .. 132

1.3 Protocoled'analyse numérique. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .134

2 Approchese xpérimentales. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .135

2.1 Hélicoptèred'essais EC155. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 135

2.2 Essaisen vol . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 135

3 Chargesdel'adaptateur detraînée . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .138

3.1 Mesuresdes charges envol. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .138

3.2 Mesuresdes charges surbancav ecsollicitations répliquéesdu vol. .. .. .. .. 140

3.3 Calculdes charges adaptateuravec sollicitationsrépliquées dubancd'essais. .. .141

3.4 Calculdes charges adaptateur-simulationde casde vol . .. .. .. .. .. .. .142

3.5 Synthèsesur laprévision deschar gesadaptateur . .. .. .. .. .. .. .. .. .143

4 Inuencedes modèlespour laprévision deschar gespales . .. .. .. .. .. .. .. .. .143

4.1 Rôledu modèleadaptateur pourle calculdes charges pales. .. .. .. .. .. .. 144

4.2 Rôledes modèlesde pale. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 146

4.3 Rôledes modèlesde vitesseinduite . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 147

4.4 E orts decommande . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 149 12

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TABLEDES MATIÈRES

5 Synthèsesur laprévision deschar gesdes rotorsà palesàdoubleèche . .. .. .. .. .. 150

5.1 Cartographiedes charges pales. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .150

5.2 Comparaisoncalcul-mesure deschar gesdynamiques enfonctiondela vitesse. .. 152

5.3 Analyseset critiques. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 152

6 ConclusionsGénérales 155

Références159

Annexes165

A Aérodynamiquenumérique167

A1 Equationsde Navier -Stokes. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .167 A2 Equationsde Navier -Stokesmoyennées:RANS. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 168 A3 Formulationintégraledes équationsRANS . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 170 A4 Modèlesturb ulents. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .171 A4.1 Modèlek!. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 171 A4.2 Modèlek!SST-Menter. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .172 A5 Maillagepour l'aérodynamiquenumérique . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .173 A5.1 Topologiesdemaillage . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .173 A5.2 Maillagepour calculde vol stationnaire. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 174 A5.3 Maillagepour calculde vol d'av ancement. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .177 A6 Chargesaérodynamiquesdu rotorà palesà doubleèche . .. .. .. .. .. .. .. .. .179

B Modèlesélasto-dynamiques 181

B1 Expressiondes termesdes équationsde Lagrangedu modèlede palearticulée . .. .. .. 182 B2 Topologied'unmo yeurotor principalSpheriexà cinqpales . .. .. .. .. .. .. .. .185

C ChargesRotorsur despales BlueEdge

TM187 C1 Chargesadaptateursmesurées env ol. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 188 C2 Chargespales. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 191

FolioAdministratif 195

13

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Liste desFigur es

1.1 L'hélicoptèreparLéonard deV inci

. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .27

1.2 Lesdéb utsdel'hélicoptère. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .28

1.3 Evolutionstechnologiquesde l'hélicoptère

c airliners.net. .. .. .. .. .. .. .. .. .28quotesdbs_dbs13.pdfusesText_19

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