Créer du mouvement pour créer une force

Le fonctionnement d’un hélice est comparable à celui d’une aile. Il repose sur les principes de l’aérodynamique, c’est à dire l’apparition de force sur un objet en mouvement dans l’air.

Une hélice, des pales

L’hélice est constituée de pales entraînées par un d’un arbre en rotation. Les hélices comprennent couramment 2 ou 3 pales Elles sont alors dites « bipale » ou « tripale ». Il en existe toutefois qui possèdent 4 ou 5 pales et dans les développements récents de l’aérodynamique on en conçoit qui en possèdent plus d’une douzaine.

Enfin, on peut citer l’existence d’hélices contrarotatives (associations d’hélices tournant dans des sens opposés) destinées à compenser des effets de couple.

Une pale, un profil

L’angle de calage de la pale est l’angle entre le plan de rotation de l’hélice et la corde de la pale. (cc ATconcept)

Les pales sont profilées comme des ailes. D’un point de vue aérodynamique il n’y a donc pas de distinction à faire entre la portance d’une aile et la traction d’une hélice. 

Si on considère le profil d’une pale, l’angle θ que fait la corde de la pale avec le plan de rotation est appelé angle de calage de la pale. C’est également l’angle d’incidence aérodynamique lorsque l’avion est immobile.

Si l’on s’en tenait là ce serait relativement simple. Une pale telle que celle qui est décrite ici possède un même angle de calage sur toute sa longueur. Mais dans la réalité, une telle pale aurait une contrainte énorme à son extrémité et au contraire, peu de contrainte autour de l’axe de rotation. C’est pour atténuer ce déséquilibre et mieux répartir l’effort exercé sur la pale que la plupart d’entre elles sont vrillées.

Pourquoi une pale est-elle vrillée ?

Diminution de l’angle de calage avec la distance à l’axe de rotation

La vitesse de déplacement d’un point de l’hélice dans l’air est d’autant plus importante que l’on s’éloigne de l’axe de rotation. Afin de répartir correctement la force de traction, l’hélice est vrillée.

L’angle de calage va en diminuant lorsque l’on s’éloigne de l’axe de rotation.

Le rendement énergétique de l’hélice

Comme une aile d’avion, l’hélice génère une trainée. Aussi, l’hélice ne transforme pas toute l’énergie qu’elle reçoit en mouvement. La propreté de la surface, la forme de l’hélice, le nombre de pale … permettent d’améliorer le rendement de celle-ci. La présence d’un carénage en avant (casserole ou cône d’hélice) permet également d’améliorer l’écoulement de l’air sur les pales.

Le rendement de l’hélice est le rapport de la puissance propulsive générée par l’hélice pour déplacer l’avion (appelée « puissance utile ») par la puissance qui lui parvient du moteur.

\fn_phv \large r=\frac{P_{utile}}{P_{ArbreMoteur}}

La condensation créée par dépression au passage de la pale d’hélice permet de visualiser le pas de l’hélice.

Le rendement de l’hélice varie avec la vitesse de déplacement de l’avion. Elle est généralement conçue de manière à avoir un bon rendement en croisière. La conséquence est que l’hélice devient  moins efficace à basse vitesse. Le rendement d’une hélice varie de 75 % à 90 %

Pour remédier à cela il existe des hélices à pas variable (calage modifiable en vol). Ce sont des hélices dont les pales peuvent pivoter autour de leur axe longitudinal. C’est au pilote de modifier le calage en fonction de la vitesse de déplacement de l’avion.

  • En phase de décollage il utilise un petit calage dit « petit pas » c’est à dire adapté à une petite distance parcourue à chaque tour d’hélice. L’angle de calage est petit ce qui est comparable à la première vitesse d’une voiture. Ce calage est associé au maximum de puissance moteur (régime élevé).
  • En croisière, il peut augmenter le calage de l’hélice et utiliser le régime-moteur offrant le meilleur rendement. Cela réduit également les nuisances sonores.

Certaines hélices, dont la variation de calage est importante peuvent être mises en drapeau c’est-à-dire que la corde moyenne des pales est alignée avec l’axe de l’avion. La traction est alors nulle.

Ce TBM (Hélice quadripale en drapeau) oublié pour la nuit sur ce taxiway m’a obligé au petit matin à mouiller mes chaussures dans la rosée.

Elles peuvent être aussi utilisées en moulinet (calage négatif et faible vitesse de rotation) pour relancer un moteur qui aurait calé en l’air par exemple. Ou enfin en mode « reverse ». Dans ce cas l’hélice produit une traction vers l’arrière propre à freiner l’avion lors des phases d’atterrissage.

Drole d’accident au sol qu’a subi cet avion découpé en tranches par des pales d’hélice. La encore une bonne représentation de ce qu’est la pas d’hélice. (Source : réseaux sociaux)

Hélice tractive ou propulsive

Il y a plusieurs façons de monter une  hélice sur un avion :

  • les hélices propulsives : elles sont placées à l’arrière de l’appareil.
  • Les hélices tractives placées à l’avant de l’avion ou de l’aile sont les plus courantes,
  • L’avion « Push pull », plus rare, utilise un moteur en propulsion et un autre en traction.

Hélices de forte puissance

Les hélices équipant les turbopropulseurs sont les hélices qui transmettent le plus de puissance. Elles contiennent généralement 4 pales ou plus dont les surfaces sont importantes.

Il en résulte une traînée importante qui se traduit par un souffle d’hélice fortement hélicoïdal et donc un rendement médiocre.

L’apparition d’hélices contrarotatives (constituées de deux hélices tournant en sens inverse permet un gain substantiel de rendement.

Tangopaso [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]
Double hélice 8 et 6 pales de l’AN-70. L’hélice avant tourne dans le sens horaire et l’hélice arrière dans le sens anti-horaire. ((C) ATConcept)

Le rotor des héllicoptères

Dans une configuration classique, un hélicoptère dispose de deux hélices appelées « rotor ».

Le rotor principal, composé de longues pales est l’organe assurant la sustentation.

Rotors contrarotatifs en tandem d’un Chinook. (image glanée sur twitter)

Un deuxième rotor, dit « anti-couple » placé à l’extrémité de la queue de l’hélicoptère, vient annuler les effets secondaires du rotor principal. Sans rotor anti-couple, petit à petit, l’ensemble de l’hélicoptère se mettrait en rotation dans le même sens que le rotor principal.

Une deuxième solution pour éviter le couple moteur est de disposer de deux rotors principaux tournant en sens inverse. Les deux effets de couple s’annulant

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