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La chronique de Michel Barry: le choix d'une hélice


Michel Barry

Choix d'une hélice

Les constructeurs de Souricette doivent souvent rechercher eux-mêmes le GMP de leur appareil. Le choix de l’hélice est difficile et doit être dégrossi seulement à partir de ses données géométriques (forme en plan de la pale, diamètre et pas) ou grâce à l’expérience en vol. Une technique venue du paramoteur, dont est issue une bonne partie de nos petits moteurs, consiste à mesurer la traction du GMP au point fixe de façon à sélectionner l’hélice qui tire le plus sur un moteur donné. Si cette technique est parfaitement applicable aux paramoteurs lents car leur vitesse d’avancement est faible par rapport à la vitesse de rotation de l’hélice qui travaille toujours ou presque à la même incidence, en revanche pour la souricette l’écart de vitesse (0 à 30 m/s) produit des variations d’incidence qui rendent l’hélice la plus « tractive » au point fixe complètement inefficace au fur et à mesure que la vitesse augmente. D’où la nécessité de comprendre comment une hélice fonctionne.


fig 3/4

Une aile qui tourne

On retrouve les forces connues de l’aile d’avion (traînée, portance en repère d’EIFFEL). Elles sont la décomposition de la résultante aérodynamique R dans un repère lié à la vitesse de l’avion (Cx, Cz).
Pour l’étude de l’hélice il faut introduire un autre repère pour la même résultante puisque les composantes qui nous intéressent sont liées :
· A la traction de la pale dans le sens de l’avancement de l’avion (force utile)
· A la force qui s’oppose, à la rotation, celle qui consomme la puissance (force nuisible)
D’où l’utilité d’introduire un autre repère, tournant et associé au profil : le repère de LILIENTHAL. Dans les 2 cas la résultante R est identique mais sa décomposition est différente

Les deux repères traditionnels de l’Aérodynamique et de la Mécanique du Vol

fig 3/4 fig 3/4
La décomposition de la résultante R se fait en Cz, Cx, repère d’EIFFEL associé à la vitesse ou
en Cn, Ct, repère de LILIENTHAL associé (attaché) au profil.
Ces deux repères sont nécessaires pour bien comprendre la gymnastique de la projection de R selon la force que l’on veut analyser.

1. Fonctionnement normal : l’hélice tractionne

les triangles:
.des vitesses
.des forces

fig 4

En fonctionnement normal d’hélice tractive, « R » est dirigé vers l’avant et « F » vers le bord de fuite du profil. On se rapproche du domaine d’incidences de l’aile. Les incidences sont assez faibles : quelques degrés.

2. Fonctionnement en transparence

fig 5

Pour simuler l’avion privé de propulsion on veut « T = 0 ».
Ceci est possible vers les incidences voisines de zéro. La traînée et la portance ne sont pas nulles (repères d’Eiffel et de Lilienthal quasiment confondus). La pale rencontre une résistance F qui se confond avec R car aucune force ne doit apparaître sur l’axe d’avancement de l’avion.
Quand le régime de transparence est appliqué il doit être adapté à V car il varie avec la vitesse de l’avion. Il est déterminé en vol par le constructeur. Pour ce on ajuste le régime (ω) pour obtenir le triangle des vitesses qui donne W aligné avec la corde de référence du profil.
Contrairement à une idée répandue la transparence consomme de l’énergie car le moteur développe une puissance non-nulle pour vaincre R. Ce n’est pas le moulinet du § 6. !

3. Fonctionnement en frein

fig 6

L’incidence est négative. Dans les 2 repères on voit que la force tractive T est négative (dirigée vers l’arrière de l’avion). Le moteur consomme de la puissance car F s’oppose à sa rotation. En général ce cas est rencontré non-intentionnellement :

C’est le cas d’un bout d’hélice dont le calage est trop faible alors que le reste de l’hélice est bien tractif (mauvaise loi de vrillage). C’est aussi le cas d’un avion en piqué : la vitesse atteinte limite très vite la traction de l’hélice qui constitue un frein-régulateur (et souvent salutaire !) de la vitesse en piqué.

4. Fonctionnement en moulinet

fig 7

Le plus paradoxal des fonctionnements de l’hélice : aucun couple résistif sur l’arbre du moteur, l’hélice tourne librement.
Elle a accéléré car la composante en Ct (repère de Lilienthal) était négative et entraînait ou « aspirait » la pale vers l’avant du profil.
Quand «ωr » est devenu suffisant T s’est alignée avec R et la rotation s’est entretenue (cas d’un rotor d’autogire ou d’hélicoptère en autorotation).
En moulinet la force qui s’oppose à l’avancement de l’avion peut être très grande (parfois bien plus importante que la traction normale). De plus le sillage de l’hélice en moulinet est comparable à celui d’un disque de même diamètre ce qui peut nuire gravement à l’alimentation des gouvernes de vol des empennages et conduire à des pertes de contrôle ;
Enfin si aucun frein mécanique n’existe sur l’arbre la vitesse de rotation peut être très importante et engendrer la destruction des attaches de l’hélice ou du GMP.

5. Fonctionnement en drapeau

fig 8

On demande à l’hélice arrêtée de produire le moins de traînée possible. En effet on cherche à la passer en drapeau car le moteur est en panne ou doit impérativement être arrêté. Le drapeau a une double fonction :

Ainsi la pale n’aura pas tendance à vouloir tourner car il faut éviter que l’hélice parte en moulinet.
Dans les deux cas l’objectif de la mise en drapeau est une réduction de la force qui s’oppose à l’avancement de l’avion.

6. Fonctionnement en reverse

fig 9

La pale fonctionne avec des incidences négatives et produit à basse vitesse de l’avion une force tractive T dirigée vers l’arrière de l’avion. Il suffit de rendre le calage négatif pour que l’hélice mue par le moteur produise T négatif. Le fonctionnement en reverse est comparable au fonctionnement en frein. Seule différence : le fonctionnement en reverse doit produire une force de freinage à très basse vitesse V ce qui nécessite d’inverser le calage alors qu’il peut y avoir effet-frein pour des calages positifs à grande vitesse.

7. Le calage C

fig 10

L’hélice à cale fixe (parfois dite à « pas constant ») est définie à chaque rayon par le calage C ou angle entre la corde de référence du profil et le plan de rotation.

8. Pourquoi le vrillage, notion de pas

fig 11

L’hélice idéale, au sens géométrique du terme est celle dont chaque section de la pale qui progresserait dans l’air dans le sens de la corde de référence (incidence zéro) avancerait d’une valeur identique qui vaut 2πr. tg C
La valeur 2ωr. tg C s’appelle le pas, un peu comme le pas d’une vis qui progresse d’un tour complet. Plus on se rapproche du centre plus le calage C doit être grand car r diminue.
On peut admettre qu’en transparence cette condition est à peu près réalisée.
Si l’avion avance moins que la valeur du pas l’hélice tractionne (fonctionnement normal)
Si l’avion avance davantage que la valeur du pas l’hélice freine. (frein ou reverse)
Sur la plupart des hélices le pas n’est pas exactement le même à chaque valeur du rayon ce qui nécessite de préciser à quel rayon on le mesure (par exemple pas à 0,50 r ou pas à 0,75 r) de façon à pouvoir comparer les hélices et les caractériser d’une façon non-ambigüe.
Vue en bout la variation du calage présente à l’oeil une surface vrillée. On appelle « vrillage » la différence de calage entre deux sections données. Par exemple : le vrillage de 0,1 r à 0,8 r vaut 11°. Le vrillage fait partie du savoir-faire de l’hélicier. En effet le vrillage idéal (2πr. tg C = constante) ne donne pas le meilleur rendement car les écoulements de l’air autour de l’hélice sont plus compliqués que ceux décrits simplement par le triangle des vitesses.

9. Force tractive et triangle des vitesses

fig 12

Pour simplifier on envisage le fonctionnement du même tronçon situé à une distance r du centre de l’hélice.