les helices d'un avion

LES HELICES

- Pas d"une hélice

- Fonctionnement aérodynamique

- Les différentes hélices

- Les différents calages

- Hélice nouvelle génération

But

Le but de l'hélice est de fournir une force de traction en prenant appui sur l'air.

Profil d"une pale

Le profil d'une pale d'hélice ressemble au profil d'une aile, c'est à dire doté d'un bord d'attaque, d'un bord de fuite, d'une corde de référence, d'une épaisseur moyenne, d'une cambrure etc... Il détermine les performances d'une hélice, mais aussi sa résistance. L'optimisation de la géométrie d'une pale est donc un compromis entre performance et résistance mécanique.

A  = Bord d'attaque
B  = Bord de fuite
L   = Corde de référence
D  = Position de la cambrure maximale du profil
ƒ   = Cambrure maximale
θ   = Angle de calage

Vrillage et angle de calage

L'épaisseur et la forme de la pale varie pour permettre de régler l'angle d'incidence des profils en fonction de la variation des angles apparents perçus par les profils du pied au bout de pale.
Le vrillage de la pale de l'hélice est l'angle entre la corde du profil de bout de pale et la corde du profil de pied de pale (photo ci-dessous).
L'angle de calage θ est défini entre la corde de référence du profil et le plan de rotation.

Pas d"une hélice

Pas géométrique, pas relatif, pas effectif

Le pas géométrique est la distance parcourue par l'hélice en un tour suivant l'axe de rotation de l'hélice. C'est à dire la distance séparant deux points sur une génératrice du cylindre.

En développant une section d'hélice on constate que le point A a subi une translation H pour une rotation de un tour.

Fonctionnement aérodynamique

Prenons un élément de pale situé à r de l'axe de l'hélice.

Nous avons:
θ = angle de calage
β = angle d'avancement
α = angle d'incidence
Le point A du profil de référence d'une pale d'hélice en mouvement est soumis à deux vitesses:
- Vt vitesse tangentielle, égale à 2 π r.n (n étant la vitesse de rotation en tours/s).
- Va vitesse en translation en m/s, c'est la vitesse d'avancement ou vitesse de l'avion.
- Il en résulte un mouvement suivant le vecteur Vr .

Comme pour l'aile une section de pale d'une hélice attaque l'air suivant un angle d'incidence α et va développer une résultante aérodynamique Ra qui se décompose:
- Une force de traction Ft suivant l'axe de l'hélice et dans le sens du mouvement.
- Une force de résistante Fr opposée à la rotation et à l'origine d'un couple résistant.
En régime stabilisé ce couple résistant Cr sera égal et opposé au couple moteur Cm .
D'autre part, l'incidence α va varier à la fois en fonction de la vitesse de rotation et de la vitesse sur trajectoire de l'avion.
Le recul est la différence entre le pas géométrique et le pas réel.
- Pas géométrique    H = 2 π r tan θ
- Pas réel ou avance par tour    H' = 2 π r tan β avec H' exprimé en mètres par tour.
Donc le recul est la différence entre tan θ et tan β soit l'incidence α qui est à l'origine de Ra (résultante aérodynamique) donc de la traction.
Visualisation du sillage laissé par une hélice.

Fonctionnement propulseur

L'hélice fournit une traction et consomme de la puissance moteur.
α est > 0.
Ft est > 0.
Fr est > 0.

Fonctionnement moulinet

L'hélice fournit une traction négative et un couple moteur. Cette position permet de dévirer une hélice pour remise en marche du moteur.
α est négatif.
Ft est < 0.
Fr est < 0.

Fonctionnement drapeau

θ est à 90°. La pale est dans le lit du vent relatif
Ft est réduit à sa plus petite valeur.
Fr est nulle. La pale est immobile.

Fonctionnement frein

L'hélice fournit une faible traction négative qui à tendance à freiner l'avion.
α  est très proche de l'incidence de Cz zéro.
Ra est faible.
Ft est < 0.
Fr est > 0.

Fonctionnement reverse

α est très négatif car θ est inférieur à 0. Dans ce cas l'hélice ne travaillera jamais en moulinet.
Ft est < 0.
Fr est > 0.

Récapitulatif

Récapitulation des divers modes de fonctionnement sur la polaire de Lilienthal d'une section de pale.
A noter les fonctions de propulsion, frein et moulinet sont possibles pour une hélice à calage fixe.

Les différentes hélices

Rendement d'une hélice

Nous avons vu dans GMP Courbes Wu/WN :
-   Wm = Puissance moteur
-   Wu = Puissance utile
-   ηh = Rendement de l'hélice
soit :  
Le rendement maximale d'une hélice est de l'ordre de 0,8 à 0,85.
La courbe de rendement d'une hélice ηh est établie en fonction de paramètre de fonctionnement de l'hélice.
soit :  
-   Va = Vitesse avion
-   η = nombre de tours/s de l'hélice
-   d = diamètre de l'hélice

Pas constant

Ce serait une hélice dont le pas resterait constant en toutes ses sections. Or une hélice est construite de manière qu'en utilisation normale l'incidence soit toujours égale à l'incidence de finesse max :
incidence de ƒmax = θ - β
Malheureusement il est impossible de satisfaire à la fois :
- l'incidence de finesse max tout au long de la pale
- le pas constant tout au long de la pale
C'est pour cette raison que le pas n'est pas tout à fait constant le long de la pale et que H varie d'une section à l'autre.
Dans une hélice à pas constant, le calage diminue du moyeu à l'extrémité de la pale.

Nombre de pales et diamètre

Les hélices peuvent être bipale, tripale, quadripale voire plus comme l'Airbus A400M avec huit pales.
A noter que le rendement max sera obtenu par une hélice bipale. Par contre une hélice tripale ou quadripale aura un encombrement (diamètre) plus faible avec une vitesse en bout de pale inférieure à la bipale.

Vitesse en bout de pale

Pour une hélice de 1,80m soit un rayon 0,90m et une vitesse de 2400tr/min ou 40m/s, la vitesse en bout de pale sera égale au demi diamètre de l'hélice multiplié par 2 pi et multiplié par les tours en m/s :
Soit : 0,90 * 2π * 40 = 226,10m/s ou 813,88 Km/h .
A cela il faut maintenant combiner cette vitesse avec celle de l'avion.
Si X est la vitesse de l'avion et Y la vitesse de rotation en bout de pale nous aurons en Z la vitesse réelle du bout de pale.

Soit : Z² = X²+ Y²
Si la vitesse de l'avion est de 360km/ soit 100m/s nous aurons :
V² = 100² + 226,1² = 10000 + 51121,21 = 6112,21 et    V = = 247,22 m/s = 890 km/h.

La vitesse du bout pale est de 890km/h pour une vitesse avion de 360 km/h.

Pour éviter le bruit et une baisse de rendement la vitesse maximale en bout d'une pale est limitée à environ 85% de la vitesse du son (Mach 1 = 340m/s dans l'air à 15°C) soit 290m/s. C'est pour ces raisons que le diamètre d'une hélice et sa vitesse de rotation sont limités.
Une hélice de 1,80m à 3600tours/min atteindra cette limite. D'où la nécessité d'un réducteur entre le moteur et l'hélice, si la vitesse de rotation du moteur est importante. Les avions turbopropulseurs sont tous équipés d'un réducteur.

Les différents calages

Hélice à calages fixe

Les premières hélices étaient à pas fixe. Actuellement les avions légers dans les Aéro-club sont encore équipés d'hélice à pas fixe. Le petit pas permet des montées rapides (cas des avions remorqueurs) et des évolutions en voltige. Les avions de voyages sont équipés d'une hélice grand pas, les performances de montée n'étant pas la priorité.

Petit pas le paramètre de fonctionnement est faible.
Grand pas le paramètre de fonctionnement est fort.

Hélice à calages variable

C'est la possibilité de modifier l'angle de calage θ par rotation autour de l'axe de la pale.
- Au décollage : V est faible, η est élevé, donc est faible, pour avoir un rendement optimum il faut que h soit petit.
- En croisière : V est élevée, η est moyen, donc est élevé et pour avoir toujours le rendement optimum il faut que h soit grand.

Exemple:
Nous savons que : h = 2,2 tan θ ( voir Pas relatif )
Soit une hélice dont le calage à 0.7 R varie de 18° à 32°
nous aurons :
        θ = 18°         tan θ = 0,325         h = 0,715
        θ = 32°         tan θ = 0,625         h = 1,375

Hélice à régime constant

Pour qu'un moteur fonctionne de façon optimal, il faut en général que le nombre de tours n soit constant.
On obtient n constant quelles que soient V et Wm en utilisant un régulateur d'hélice.
Sur le dessin ci-dessous le régime fonctionne au point A pour un pas h1 à n max . Si pour une raison extérieure V ou Wm croît, n augmente mais le régulateur va agit de façon à maintenir n constant et h1 va croître. L'hélice fonctionnera alors avec un nouveau pas h2 au point B et un nouveau .
En régle générale le régulateur adoptera un pas pour que l'hélice reste très proche du rendement maximal. Point C ci-dessous.

Afin d'éviter toutes détériorations, un régulateur d'hélice fait varier le pas entre deux butées.
Exemple: Sur Fokker 27 utilisé longtemps dans les compagnies aériennes et notamment françaises, la butée de décollage était de 18° et la butée de croisière à 32.

Hélice nouvelle génération

La technologie a progressé au cours des années jusqu'à l'utilisation actuelle de pales en composite innovantes, ainsi que de commandes d'hélice électroniques.
L’hélice de l’avion de transport Airbus A400M avec ses 8 pales pour un diamètre de 5,3m développe une puissance de 10 700 CV.

Hélice en cours d'étude

Une ou deux hélices transsoniques contrarotatives entrainées par une ou deux turbines libres tournant en sens inverses. Grâce à un rendement de propulsion pouvant atteindre 0,85 à Mach 0,8, la consommation de kérosène pourrait diminuer de 20 à 25%. Ces hautes performances sont dues à leurs profils supercritiques et à leurs formes.
Mais ce concept ne sera pas prêt avant 2020 à 2025.
Ci-dessous un moteur open rotor à deux soufflantes contrarotatives appelées également Propfans .