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L ’HELICE. Présentation réalisée en novembre 1999 par Eric SAVATTERO, d’après une idée de Véronique SALMON-LEGAGNEUR et Eric SAVATTERO pour des élèves-pilotes préparant la qualification « B » (train rentrant / pas variable).

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
l helice

L ’HELICE

Présentation réalisée en novembre 1999 par

Eric SAVATTERO,

d’après une idée de

Véronique SALMON-LEGAGNEUR et Eric SAVATTERO pour des élèves-pilotes préparant la qualification « B » (train rentrant / pas variable).

Mis à disposition de la commission « Jeunes » de la FNA en Janvier 2003.

slide2
PLAN

Sa fonction

Etude géométrique

Etude aérodynamique

Etude énergétique

Aspects pratiques

sa fonction 1

Rz

T

Rx

Aspect globalRzP

RxT

P=M.g

Générer un effort de traction

Sa fonction (1)

Mécanique du vol :

- si T = Rx . . . vol à vitesse constante,

- si T > Rx . . . l ’appareil accélère,

- si T < Rx . . . l ’appareil ralenti.

sa fonction 2

rotation

Traction

pale

Puissance sur un arbre en rotation (vilebrequin du moteur) P = C . w

Effort de traction T

Vitesse de l ’avion / air

P = T . V

Sa fonction (2)

axe de pale

axe de rotation de l'hélice

plan de rotation de l ’hélice

pourquoi une h lice

Rendement

100%

hélice

réacteur

fusée

90%

80%

70%

60%

50%

Rendement (<1) = puissance restituée / puissance absorbée

40%

30%

20%

Vitesse en Kt

10%

1000

2000

3000

4000

Pourquoi une hélice ?
etude g om trique

axe de pale

axe de rotation de l'hélice

cône d'hélice

plan de rotation de l ’hélice

rotation

1/2 diamètre de l'hélice

a 1

plans de section

section droite

a = angle de calage. a1 > a2 > a3

a 2

a 3

Etude géométrique
angle de calage et pas 1

plan de section

plan de rotation de l'hélice

a : angle de calage

corde

Angle de calage = angle entre la corde du profil de l ’hélice pour la section considérée et le plan de rotation de l ’hélice.

Pas (géométrique) = chemin parcouru suivant l ’axe de rotation de l ’hélice par une section droite pour un tour d ’hélice.

Pas = 2 . P . R . tan(a)

Angle de calage et pas (1)
angle de calage et pas 2

1 tour : 2 . P . R

a

Pas

Pas = 2 . P . R . tan(a)

R . tan(a) = Cste

Calage MOYEN . . . à 70% de R

Pour différentes sections à R1, R2, R 3 :

R3

R2

Le Pas (géométrique) doit être constant tout le long de la pale de l ’hélice.

R1

a3

a2

a1

Pas

Angle de calage et pas (2)

a moyen

70 % de R

un peu de technologie

Une hélice à calage constant ne fonctionnerait pas, elle se romprait.

L ’hélice n ’a pas un fonctionnement aérodynamique optimal dans chaque section, les meilleures performances sont obtenue vers 70% à 80% de R.

La vitesse en extrémité de pale est limitée (problème de compressibilité de l ’air), . . . et de bruit !

La géométrie de l ’hélice (diamètre, nombre de pales) est a adapter aux performances du moteur (puissance à transmettre), il est également possible d ’adjoindre un réducteur entre le vilebrequin du moteur et l ’axe de rotation de l ’hélice.

Les hélice sont fabriquées en bois (plus légères mais plus fragiles), éventuellement renforcées au bord d ’attaque, ou en acier (plus lourdes . . . conséquences sur le centrage !), ou en matériaux composites.

Un peu de technologie . . .
etude a rodynamique vitesses

R

Dans un plan de section (à 0,7 R ) :

Définition de l ’incidence, (à ne pas confondre avec le calage) !

Vavion

corde

En bleu les vitesses de :

angle d ’incidence

V=R . w

Plan de rotation de l ’hélice

Vavion

a

i

V=R . w

angle de calage

Etude aérodynamique - vitesses

- rotation de l ’hélice / l ’avion

- translation de l ’avion  /  l ’air

etude a rodynamique efforts

frein

R

traction

Dans un plan de section (à 0,7 R ) :

corde

RA

En rouge les forces générant :

traction

frein

Plan de rotation de l ’hélice

. . .

Etude aérodynamique - efforts

- le couple récepteur (frein)

- la traction

etude a rodynamique bilan

« portance » Fz

RA

traction

Vavion

Plan de rotation de l ’hélice

frein

V=R . w

Bilan :

« traînée » Fx

i

Etude des cas possibles :

Etude aérodynamique - bilan
etude a rodynamique h lice calage fixe

Cas 5IMPOSSIBLE

Cas 1« normal »

1

5

Plan de rotation de l ’hélice

Cas 2« transparence »

2

En fonction de l ’orientation de RApour une hélice à calage fixe dans un premier temps :

Cas 4« moulinet »

Cas 3« frein »

3

4

Axe avion

4 cas à étudier :

Etude aérodynamique - hélice à calage fixe
etude a rodynamique normal

RA

i > 0

Plan de rotation de l ’hélice

Vpale / air

Si a augmente, i augmente.

Si Vavion augmente, i diminue.

L ’incidence est positive

Si w moteur augmente, i augmente.

Au sol,

Au décollage,

En vol.

Axe avion

L ’incidence varie en fonction de la vitesse de l ’avion et du régime moteur.

Etude aérodynamique - « normal»

Conséquences :

etude a rodynamique transparence

Vpale / air

Plan de rotation de l ’hélice

RA

w moteur diminue.

La traction est nulle,

Il existe un couple résistant.

Vavion augmente, (avion en piqué, sans réduction moteur).

Axe avion

L ’incidence est quasi nulle.

Etude aérodynamique - « transparence »

i @ 0

Cas possible à partir du cas précédent lorsque :

etude a rodynamique frein

Vpale / air

i < 0

Plan de rotation de l ’hélice

RA

La traction est négative, l ’hélice freine l ’avion.

Vavion augmente encore,et /ou w moteur diminue.

Axe avion

L ’incidence est négative.

Etude aérodynamique - « frein »

Cas possible à partir du cas précédent lorsque :

etude a rodynamique moulinet

Vpale / air

i < 0

Plan de rotation de l ’hélice

RA

La traction est négative, l ’hélice freine l ’avion,MAISl ’hélice est entraînée par le vent relatif, l ’hélice entraîne le moteur.

L ’incidence est fortement négative.

Vavion augmente toujours,et /ou w moteur diminue encore.

Si l ’hélice cale en vol, la mise en « moulinet » peut permettre un redémarrage . . .

Axe avion

Etude aérodynamique - « moulinet »

Cas possible à partir du cas précédent lorsque :

h lice calage variable

L ’angle de calage influence l ’incidence, cela fait un paramètre supplémentaire mais le fonctionnement aérodynamique est identique.

Par contre, des cas de figures supplémentaires sont possibles :

La mise en « drapeau ».

Le fonctionnement en « reverse ».

Hélice à calage variable
moteur en panne

Axe avion

Axe avion

Vpale / air

Vpale / air

Plan de rotation de l ’hélice

Plan de rotation de l ’hélice

traînée

traînée

Si le moteur est en panne, autant faire que l ’hélice traîne le moins possible !

Mieux vaut immobiliser l ’hélice plein grand pas.

En théorie, car impossible dans la réalité sur monomoteur à pas variable puisque l ’hélice s ’immobilise automatiquement plein petit pas.

Moteur en panne
etude a rodynamique drapeau

Vpale / air

Plan de rotation de l ’hélice

RA

L ’angle de calage est voisin de 90°.

Sur bimoteur :

La pale est immobile.

Axe avion

Etude aérodynamique - « drapeau »

i = 0

etude a rodynamique reverse

Plan de rotation de l ’hélice

Vpale / air

i < 0

L ’incidence est très fortement négative.

RA

Axe avion

L ’hélice est utilisée en frein aérodynamique.

Etude aérodynamique - « reverse »
etude nerg tique rendement

puissance restituée

Rendement =

puissance absorbée

h

Zone de fonctionnement pour laquelle h≥ 0,5

0,8

Vavion

f(pas)

Etude énergétique - rendement

Pour une hélice à calage fixe :

etude nerg tique petit et grand pas

h

Pour une hélice donnée, il n ’y a qu ’une seule vitesse avion pour laquelle le rendement est optimal.

0,8

Vavion

Etude énergétique - petit et grand pas

Petit pasPerformancesau décollage

Grand pasPerformancesen croisière

etude nerg tique pas variable

h

Possibilité d ’adapter le pas de l ’hélice à la vitesse de l ’avion.

Difficulté de pilotage,

- risque de sur-vitesse,

- risque de sur-couple.

P = C . w

A puissance constante, diminuer le pas revient à diminuer le couple récepteur exercé l ’hélice, donc la vitesse de rotation va augmenter !

0,8

Vavion

Etude énergétique - pas variable

Variation du pas :Plage de vitessesà rendement optimal

Petit pas

w augmente

C diminue

Grand pas

w diminue

C augmente

etude nerg tique h lice constant speed

Equipent la plupart de nos avions à pas variable (ex-qualif. B)

Exemple : C172RG

Le pilote affiche une vitesse de rotation souhaitée, un régulateur se charge de gérer le calage entre deux butées correspondants aux valeurs limites.

petit pas : 12°

grand pas : 26,5°

Le calage recherché à chaque instant correspond au meilleur rendement, soit au meilleur rapport traction / couple résistant, . . . incidence de finesse max . . . cf polaire de l ’hélice (Lilienthal).

RA

Traction

Couplerésistant

Les positions « plein grand pas » et « plein petit pas » ne correspondent pas nécessairement au plus grand et au plus petit calage.

Il faut afficher une vitesse de rotation cohérente pour que le régulateur fonctionne correctement sinon on atteint les butées de calage et le rendement est mauvais.

Etude énergétique - hélice « constant speed »

CONSEQUENCES :

aspects pratiques les commandes

Position :

« Poussé »

« Arrêt »

« Plein gaz »

« Petit pas »

« Plein riche »

«Tirée »

«Marche »

«Ralenti »

«Grand pas »

«Plein pauvre »

Aspects pratiques - les commandes

C172RG

w hélice(tr/mn)

P adm.

(In. Hg)

Mixture(richesse)

Réchauffagecarburateur

Puissance(pressiond ’admission)

Hélice(w)

aspects pratiques le r gulateur 1

Commande

Ressort de rappel

Réservoir

d’huile

Hélice

Huile sous pression

w

Aspects pratiques - le régulateur (1)

Schéma de principe d ’un régulateur hydraulique.

Ici en position d ’équilibre . . .

aspects pratiques le r gulateur 2

Commande

Commande

Fonctionnement.

Réservoir

d’huile

Réservoir

d’huile

Hélice

Hélice

Huile sous pression

Huile sous pression

w

w

Aspects pratiques - le régulateur (2)

w diminue . . .le ressort de rappel renvoie de l ’huile de l ’hélice vers le réservoir . . .le calage diminue.

w augmente . . .de l ’huile sous pression est envoyée vers l ’hélice . . .le calage augmente.

aspects pratiques le r gulateur 3

Action identique au niveau de la commande :- pousser la manette revient à rapprocher les masselottes,

- tirer la manette éloigne les masselottes.

Commande

Réservoir

d’huile

En cas de panne moteur (monomoteur) ou une fuite sur le circuit d ’huile, le ressort de rappel place les pales de l ’hélice au calage mini.

Hélice

Huile sous pression

Le régulateur n ’est actif qu ’à partir d ’une puissance affichée (P adm) minimale.

Notion de « seuil critique » : en dessous de certaines valeurs Padm / w, le distributeur du régulateur n ’est plus stable, des « sautes » de régulations sont possibles.

w

Aspects pratiques - le régulateur (3)

CONSEQUENCE :

ATTENTION :

aspects pratiques utilisation 1

RISQUES :

Le régulateur permet de caler les pales de l ’hélice sur une plage définie et limitée par des butées.

1

2

3

4

R

Aspects pratiques - utilisation (1)

SEUIL CRITIQUE : instabilité du régulateur (et donc du calage des pales de l ’hélice) pour des affichages inadaptés.(sur C172RG : en dessous de Padm : 19 ’ et w : 2000 tr/mn).

COUPLE RECEPTEUR trop fort, risque de CALAGE : avec une vitesse de rotation faible (fort calage), il y a peu de « reprise  ». Cela revient à essayer démarrer en cote en 5ième avec une automobile.

Risque de sur-vitesse hélice : Si l ’on diminue brutalement la Padm alors que la vitesse de rotation est importante (vent arrière en tour de piste), l ’avion est freiné par l ’hélice, et celle-ci risque de s ’accélérer. De plus si l ’on est en descente (cas d ’une arrivée rapide), la butée de calage (grand pas) peut être atteinte, et la vitesse de rotation peut dépasser la limite autorisée.

Risque de sur-couple moteur : Augmenter la puissance sans préalablement augmenter la vitesse de rotation revient à augmenter le couple exercé sur le vilebrequin.

aspects pratiques utilisation 2

AU SOL :

!

Aspects pratiques - utilisation (2)

ESSAIS MOTEUR :

- Les essais des magnétos, réchauffage carburateur et ralenti sont fait « plein petit pas », étant sous le seuil de régulation, la manette de Padm est utilisée comme sil ’on avait une hélice à calage fixe.

- Un essai de régulation est réalisé : pour cela il faut afficher une puissance suffisante, permettant d ’atteindre le seuil de régulation.(sur C172RG : 2000 tr/mn), puis on passe la manette de rotation de l ’hélice sur « plein grand pas » à deux reprises.Lors de la première manipulation, on vérifie que le nombre de tours hélice diminue puis revient vers 2000 tr/mn lorsque l ’on repasse en « plein petit pas »,

Lors de la seconde manipulation, on vérifie que la pression d ’huile n ’évolue pas au cours de la manœuvre.

- Le décollage sera effectué manette de rotation hélice sur « PLEIN PETIT PAS »

aspects pratiques utilisation 3

EN VOL :

R1

R2

Ex sur C172RG :

23 ’ et 2300 tr/mn OUI21 ’ et 2300 tr/mn OUI

25 ’ et 2300 tr/mn NON

25 ’ et 2500 tr/mn OUI

Réchauffe carbu

Padm

w

Mixture

Diminution de Puissance

Augmentation de Puissance

Aspects pratiques - utilisation (3)

2 REGLES SIMPLES:

Padm (en ’) toujours inférieure ou égale à w (en tr/mn*100).

aspects pratiques utilisation 4

SECURITE =

CONNAISSANCE

+

PREVENTION

Eviter les manipulations brutales des manettes,respecter l ’ordre et les sens de manipulation, pour éviter les sur-régimes, et les sur-couples.

Penser que l ’hélice passe automatiquement en plein petit pas, l ’utiliser comme une hélice à calage fixe en faisant attention ausur-régime.

Aspects pratiques - utilisation (4)

CONCLUSION :

En CAS DE PANNE (fuite hydraulique) :

Respect des consignes d ’utilisation (manuel de vol), pré-affichages, . . . et des 2 règles élémentaires d ’utilisation.

Visite pré-vol (état de l ’hélice, jeux, fuites d ’huile, . . . ), et essai de régulation lors des essais moteur.