Cours n°9: l’hélice

2 12 2008

Maths : Archimède de Syracuse

L’hélice

L’hélice était connue en propulsion nautique ; elle a été appliquée en propulsion aéronautique. Les premières hélices avaient un très mauvais rendement, elles ne transformaient qu’une faible partie de l’énergie du moteur en traction. Jusqu’à ce que les héliciers considèrent la pale comme une aile et apportent cambrure et vrillage sur l’extrados de la pale.

Rôle : elle restitue la puissance développée par le moteur et nécessaire à la traction.

Définition : voilure tournant dans un plan perpendiculaire à l’axe des roulis. Elle se compose d’un minimum de 2 pales réunies par la partie centrale appelée moyeu, lui-même solidaire de l’arbre moteur.

Les pales sont dessinées comme des ailes. Une hélice crée une portance, agissant horizontalement, qui attire l’avion en avant. Elle crée également une traînée.

Le pas de l’hélice : c’est la distance théorique parcourue par l’avion quand l’hélice a effectué un tour.

L’avance par tour : c’est la distance réellement parcourue par l’avion quand l’hélice a effectué un tour. L’avance par tour est toujours inférieure au pas théorique. La perte d’avance est dûe à la compressibilité de l’air.

Vitesse propre (m/s)

=             _________________

Tours/seconde

Le rendement de l’hélice : il se définit comme le rapport de la puissance restituée par la puissance finie. Il est de 0,7 à 0,8 pour les plus performantes.

Puissance restituée                                                      pas théorique

=             ________________                    =                             ____________

Puissance absorbée                                                      avance/tour

Calage : on appelle calage, l’angle formé par la corde de l’un des profils et le plan de rotation de l’hélice. Il varie en fonction du rayon de rotation. Par convention, on dira que le calage est celui du profil se situant à 70% du rayon maximum.

Pourquoi une pale est-elle vrillée ?

La forme vrillée de la pale s’explique par la différence de vitesse qui existe entre son extrémité et sa base. Cela permet d’avoir une force de traction sur toute sa longueur. La moitié interne de la pale de l’hélice tourne cependant moins vite que la moitié externe, et donc la 1ère moitié produit moins de traction que la 2nde. La partie proche du cône a donc essentiellement une fonction structurelle, elle contribue peu à la propulsion.

Lorsque l’angle est de faible valeur, on parle de « petit pas » ; au fur et à mesure que l’angle grandit, le pas s’agrandit.

En effet, on constate des différences de vitesse de rotation de l’hélice : elle est relativement faible près du cône, et augmente au fur et à mesure que l’on s’éloigne du cône.

Ex : pour un Cessna 185 : hélice de 2,13m de diamètre. La vitesse de rotation à 35 cm du cône est de 206 kt  lorsque l’hélice tourne à 2850 tr/min. A 70 cm de l’axe, elle a une vitesse de 412 kt et à l’extrêmité, elle est de 619 kt. (la vitesse du son étant de 660 kt, 619 kt représente 94% de la vitesse du son, soit Mach 0,94 : plus on approche du mur du son, plus le bruit est extrême, trainée excessive et possibilité de vibrations)


Le fonctionnement est identique à celui de l’aile d’avion : en vol chaque pale de l’hélice reçoit un vent relatif crée par la translation de l’avion et la rotation de l’hélice, ce vent génère sur la pale de l’hélice une résultante aérodynamique qui se décompose en portance et en traînée.

Les ingénieurs ont constaté que les pales les plus efficaces étaient celles qui avaient un fort allongement (comme les ailes): elles sont plus efficaces si elles sont longues et fines que courtes et épaisses. Mais pour augmenter la surface d’une hélice sans que la vitesse aux extrémités des pales soit excessive ou l’allongement trop grand, il suffit de rajouter des pales.

Avantages :

-          Augmentation de la surface de l’hélice (intéressant pour les moteurs puissants)

-          Vol plus doux

-          Diminution de la vitesse aux extrémités

-          Réduction du diamètre des pales

-          D’où réduction du bruit

Inconvénients :

-          Augmentation du poids

-          Du coût

-          De la maintenance

Dans le cas d’un vol stabilisé, la portance dirigée vers l’avant constitue la traction qui équilibre la traînée de l’avion et l’ensemble des forces résistantes de chaque pale constitue le couple résistant qui équilibre le couple moteur.

De même que pour une aile d’avion, la valeur et l’orientation de la résultante aérodynamique dépendent de l’angle

1 – Hélice à calage fixe

Sur ce type d’hélice, le calage est effectué au moment de la construction de l’avion ou bien au sol et ne varie plus en vol. Cette solution simple à mettre en œuvre présente deux inconvénients :

-          Le rendement n’est correct qu’à une vitesse donnée.

-          Le moteur subit des sous régimes et des sur régimes

Le pilote doit choisir entre une hélice pour la montée avec un pas moyen ou une hélice de croisière avec un grand pas. Le modèle petit pas favorise les performances de voltige et de montée au détriment de la vitesse de croisière.

(Pour faire le parallèle avec une boite de vitesse d’une voiture, c’est comme si le pilote devait choisir de rester ou bien  tt le temps en 1ère, ou bien tout le temps en 4ème ou 5ème.)

Son calage est choisi comme le compromis permettant des performances acceptables dans les différents régimes de vol.

La solution généralement adoptée consiste à caler l’hélice en utilisation intermédiaire.

2 -Hélice à calage variable

Pour optimiser les performances de l’avion, l’angle de la pale devrait changer avec la vitesse de déplacement. Pour gagner en efficacité, le pas de l’hélice doit être petit au décollage, moyen pour des vitesses modérées ou de montée, et grand pour le vol en croisière… d’où le dispositif d’hélice à calage variable.

Le pilote sélectionne un calage d’hélice par une commande à crans (commande que l’on peut comparer à celle de changement de vitesses d’une voiture).

Dans ce cas, l’hélice est équipée d’un mécanisme permettant de modifier son calage en vol, et d’un système régulateur qui assure une vitesse de rotation constante à la valeur choisie par le pilote

Ce système présente l’avantage de contrer les effets désastreux précédents :

-          Rendement correct sur toute la plage des vitesses de vol

-          Aucune surrégime ou sous-régime du moteur

Son principe d’utilisation est le suivant :

Phase de vol

Objectif Moteur Hélice Action pilote

Décollage

Accélération

maxi

Puissance

maxi

rendement

maxi

plein petit pas

+

plein gaz

Croisière

vitesse élevée

et

consommation faible

puissance

adaptée

rendement

maxi

Grand pas

+ Gaz et régime

selon prescription

du manuel de vol

Incident ou vol à voile

Rendement nul Drapeau

A l’atterrissage,

après le poser des roues

Rendement inverse Revers +

Réduction totale des gaz

Le système de réglage du pas depuis l’intérieur du cockpit peut être hydraulique, électrique ou encore mécanique.

3 – Souffle hélicoïdal

L’hélice possède une action supplémentaire nuisible, il s’agit du souffle hélicoïdal. En effet en arrière de l’hélice ( cas de l’hélice en traction ) l’écoulement de l’air est hélicoïdal. Cet effet est d’autant plus fort que le régime est fort et la vitesse faible ( cas du décollage )

Son influence sur les surfaces verticales tend à faire dévier l’avion et sur les surfaces horizontales à comprimer les amortisseurs.