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Théorie

Le fonctionnement d'une hélice

L'étude du fonctionnement d'une hélice permet d'une part de comprendre comme elle génère la poussée de l'avion et surtout de lui faire fournir son meilleur rendement à une situation de vol donnée.

Principe de base

Une pâle d'hélice fonctionne comme une aile, mais disposée autrement pour fournir une poussée et non pas une portance. Ce qui était la traînée pour une aile devient un couple résistant pour l'hélice.

Voici un schéma d'une vue de côté et de face d'une hélice, avec les deux force poussée et traînée ainsi que la vitesse :

Forces sur une hélice

Sur la vue de face, le point bleu entouré d'un rond est la représentation d'un vecteur dirigé droit vers nous (ici la poussée).

On voit que chaque pâle fournie une poussée symétrique ce qui revient à les rassembler en une seule force appliquée sur l'axe de rotation et deux fois plus grande que chacune d'elles. Par contre sur la vue de face, on voit aussi que la traînée sur une pâle est opposée à la traînée sur l'autre, et s'appliquent de part et d'autre de l'axe de rotation : c'est un couple, résistant qui plus est, car dans le sens inverse de la rotation.

La rotation de l'hélice

La vitesse d'un point de l'hélice, dûe à sa rotation, dépend de sa distance à l'axe de rotation et de la vitesse de rotation selon la formule bien connue :

Expression de la vitesse de rotation

Relation qui s'illustre sur le schéma suivant :

Expression de la vitesse de rotation

Plus on s'éloigne de l'axe, plus le point va vite et ceci pose quelques problèmes :

  • En bout de pâle, le point peut rapidement atteindre la vitesse du son ce qui crée des perturbations de l'écoulement et des vibrations, bref, une dégradation de performances. Pour cela, il ne faut pas construire des pâles trop longues, ou alors les faire tourner moins vite. Sur certains avions (de voltige par exemple) on décide d'en mettre trois ce qui permet de les raccourcir, mais crée plus de couple résistant et il faut un moteur costaud.
  • Un point proche de l'axe fourni une poussée plus faible qu'en bout de pâle puisqu'il va moins vite : c'est pour cela que généralement le calage est de plus en plus grand quand on se rapproche de l'axe.

Définition des angles relatifs à l'hélice

Deux angles sont importants :

Angles d'une pâle

  • α : c'est l'angle d'incidence vu par la pâle, exactement comme pour une aile. C'est donc l'angle formé entre une référence sur le profil (pointillé) et le vecteur vitesse par rapport à l'air.
  • β : c'est l'angle de calage de l'hélice, angle entre la référence sur le profil (pointillés) et la référence de l'avion (trait gras).

Le vecteur vitesse d'un point de la pâle n'est pas uniquement dû à la rotation de l'hélice ; il faut aussi ajouter la vitesse de l'avion, ce qui explique que ce vecteur soit plus ou moins incliné suivant la situation. C'est aussi pour cela que l'angle d'incidence peut varier même si le calage reste constant (il suffit par exemple que l'avion accélère ou que l'hélice tourne plus vite).

Dernière remarque : lorsque l'avion est arrêté (mais que l'hélice tourne) le calage est égal à l'incidence.

Le pas d'une hélice

On a vu que le vecteur vitesse d'une point de l'hélice pouvait être plus ou moins incliné (angle β). Cette évolution est traduite par un paramètre appelé "pas", noté γ. Il est défini suivant l'expression suivante :

Expression du pas d'une hélice

V est la vitesse de l'avion, D est le diamètre de l'hélice et ω la vitesse de rotation (qu'il faut toujours exprimer suivant les unités standard !).

Voici sa relation avec l'angle β :

Relation entre angle et pas

Donc, le pas et la tangente de l'angle β sont proportionnels.

Le rendement d'une hélice

Le rendement d'une hélice c'est le rapport entre la puissance qu'elle fournie et la puissance qu'on lui fourni. C'est en fait ce qu'on gagne par rapport à ce qu'on paie, ou encore la puissance motrice qu'elle rend par rapport à la puissance que le moteur lui donne.

Le rendement est toujours plus plus petit que 1 car il y a toujours des pertes énergétiques entre l'entrée et la sortie d'un système, ce qui veut dire qu'on récupère un peu moins que ce qu'on donne.

C'est pour cela qu'on cherche à optimiser le rendement suivant les situations de vol (montée, croisière à différentes altitudes, etc.).

Voici l'allure de courbes de rendements :

Courbes de rendements

On a un exemple de trois courbes correspondant à trois calages différents. Chacune illustre l'évolution du rendement en fonction du pas pour ce calage donné.

En pointillé, vous avez l'évolution du point de rendement optimal, et pour l'atteindre, il faut se placer sur la bonne courbe, il faut choisir le bon calage. C'est ce qui explique que des hélices dites à pas "variable" existent : elles permettent de jouer sur la vitesse de rotation et le calage pour obtenir un rendement optimal.

Conclusion

L'hélice n'est finalement qu'un ventilateur placé sur un avion, mais cela n'empêche pas que bien comprendre son fonctionnement permet de comprendre tous les réglages qu'on peut lui apporter pour optimiser son fonctionnement (en particulier pour les pas variables) et les problèmes qui peuvent venir de l'hélice.