E-PROPS HI-TECH CARBON PROPELLERS


DONNEES

 

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Conception des hélices E-Props Carbone

 

Logiciel LmPTR© - un peu de théorie

 

 

 

Le bureau d'études des Hélices E-PROPS, dirigé par Jérémie Buiatti, est composé de 5 ingénieurs et techniciens spécialisés, soit 25% de l'effectif de la société. Ils réalisent les calculs théoriques, la modélisation, la mise au point des prototypes et les expérimentations au banc sol et en vol.

 

Le bureau d'études élabore les spécifications et le cahier des charges de chaque hélice en prenant en compte :

- les caractéristiques du moteur thermique ou électrique (puissance, couple, régimes)

- l'appareil qui va être équipé avec ce groupe motopropulseur optimisé (configuration tractive ou propulsive, caractéristiques aérodynamiques, interactions ailes / fuselage...)

- les performances souhaitées de l'appareil

- les conditions d'utilisation de l'appareil et de son groupe motopropulseur

 

Les Hélices E-PROPS sont étudiées pour obtenir le meilleur rendement possible tout en générant très peu de nuisances sonores.

 

L'équipe utilise des logiciels de CAO performants, et a développé en interne un programme d'optimisation des hélices itératif : le logiciel LmPTR©.

 

 

conception hélices e-props

 

 

 

METHODE D'OPTIMISATION D'HELICES AERONAUTIQUES

 

Optimiser une hélice pour un moteur donné sur un appareil existant est un problème complexe car :
- la cellule et le moteur étant fixés, la vitesse de vol, le régime de rotation et la puissance sont imposés;
- le diamètre est souvent restreint par la géométrie de l’appareil. Et si par chance il ne l’est pas, c’est la vitesse périphérique et les problèmes supersoniques qui vont limiter le diamètre.

 

Le diamètre et la puissance du moteur fixent le rendement propulsif, c'est-à-dire la limite supérieure absolue du rendement possible de l’hélice. Ensuite, c'est au concepteur de l'hélice de se rapprocher de ce rendement.

 

Comme paramètres d’optimisation, il reste donc :
- le nombre de pales
- la répartition de traction sur l’envergure de la pale
- la répartition de corde
- la répartition de pas
- l’évolution de profils

 

polaire hélice

 

Augmenter le nombre de pales permet de réduire la portance de chaque pale, et donc de réduire la traînée induite de chaque pale. Mais à corde constante, cela augmente la traînée de frottement. Et si l’on réduit la corde, la chute des Reynolds dégrade l’aérodynamique des profils, sans compter les problèmes de tenue mécanique.

 

La recherche d’une répartition de traction optimum doit prendre en compte les effets de celle-ci sur la traînée induite des pales. En effet, le saumon ne peut pas générer une forte portance sans causer une énorme traînée induite.

 

L’optimisation en corde cherche à ce que chaque profil travaille à finesse maximum, sans négliger les effets de la variation des Reynolds, et en vérifiant l’adaptation des profils à leurs conditions de fonctionnement en CZ, en Reynolds et en Mach.

 

La répartition de pas sert de variable d’ajustement pour maintenir chaque profil à son coefficient de portance optimum en vue d’obtenir la répartition de traction choisie avec une répartition de corde et de profil optimisée.

 

De par sa complexité, la conception d’une hélice est un procédé itératif, chaque modification influant sur les autres paramètres.

 

 

conception hélices e-props

 

 

 

LE LOGICIEL INTERNE LmPTR©

 

Le traitement numérique et la finesse de la modélisation LmPTR© développée par les ingénieurs d'Hélices E-PROPS (en particulier Jérémie Buiatti) permettent un processus de conception efficace, capable d’obtenir l’hélice optimum pour chaque configuration.

 

En effet, ce logiciel analyse en détail les écoulements aérodynamiques et le comportement mécanique de l'hélice. Ce programme comporte à ce jour plus de 54000 lignes de code en langage avancé.

 

Sa mise au point a nécessité plus de trois ans et demi de travail à plein temps. Il s'enrichit constamment de nouvelles données grâce aux essais au sol et en vol des hélices E-Props en bois (jusqu'en 2013) et en carbone (à compter de 2011). Des essais ont été également menés en soufflerie, lors de développements d'hélices E-Props carbone spécifiques pour drones. Ces essais sont pour l'instant confidentiels et ne peuvent pas faire l'objet de communications. Ils ont permis de vérifier de nombreuses hypothèses et d'affiner les paramètres.

 

Ce logiciel LmPTR© est un atout incomparable pour un fabricant d'hélices; il permet en effet de concevoir rapidement des hélices sur-mesure parfaitement adaptées à la cellule et au moteur considérés.

 

Les données de géométrie d'hélice sont ensuite transmises au centre d'usinage à commande numérique, qui fabrique ensuite le moule qui permettra de sortir les pales et les moyeux en carbone.

 

Ce logiciel permet à l'équipe d'imaginer et de modéliser de nouveaux concepts d'hélices, en utilisant des géométries particulières et des profils développés en interne.

 

C'est pourquoi les Hélices E-PROPS sont très différentes des autres hélices proposées actuellement sur le marché. Sur certains modèles, on compte pas moins de 7 innovations par rapport aux hélices traditionnelles.

 

Les performances obtenues sont exceptionnelles : certains modèles d'hélices E-PROPS à pas réglable au sol sont plus performants que des hélices concurrentes à pas variable.

 

 

 

logiciel eprops LMPTR

 

 

 

 

Le logiciel LmPTR© au 27-06-2017 :

 

- 9500 heures de bureau d'études

- 54000 lignes de code en langage avancé

- données d'essais de 284 prototypes

- enrichi par les résultats de 47 campagnes d'essais, au sol (sur bancs instrumentés et en souffleries) et en vol

 

Un outil exceptionnel pour concevoir des hélices de 3ème génération

 

 

 

 

courbes e-props

 

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PROPULSION : UN PEU DE THEORIE

 

 

 

Pour comprendre le fonctionnement d’une hélice, il est plus simple de partir de l’écoulement global en lui appliquant les lois issues de la physique expérimentale, afin d'essayer de ne pas masquer un phénomène simple derrière plusieurs équations trigonométriques.

 

 

Tout d'abord, la troisième loi de Newton (ou principe des actions réciproques) indique que :

"Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B".

Cette loi se résume par le principe : " Action = Réaction".

 

Ceci signifie que si l’on souhaite que notre hélice "A" profite d’une force vers l’avant, il va falloir qu’en retour elle applique sur "B" une force vers l’arrière. Dans le cas de la propulsion aérienne, il n’y a qu’un "B" possible : c'est l’air traversant le disque balayé par les pales.

 

Il s’agit en fait non d’une masse proprement dite, mais d’un débit massique, produit de la surface du disque d’hélice, de la vitesse et du flux et de la masse volumique.

 

Pour appliquer une force sur le débit massique d’air, les pales se comportent comme des ailes. Leur profil aérodynamique leur permet d’appliquer des efforts de portance sur le flux d’air. L’hélice applique donc une force sur un flux d’air, ce qui a pour conséquent de modifier la vitesse du flux d’air.

 

La différence de vitesse entre l’amont de l’hélice et l’aval se calcule ainsi :

Différence Vitesse (amont/aval) = Traction / Débit Massique

            DV = T / dm

Équation issue de la 2ème Loi de Newton F = d(m.v)/dt

 

Cette variation de vitesse induite par la traction s’applique pour moitié en amont de l’hélice et pour moitié en aval (comme le démontre la relation de Froude).

 

froude

 

Le débit massique du flux d’air dans lequel travaille l’hélice est donc : Dm = mvo x Sdisque x (Vvol + DV/2)

Où :

- mvo = masse volumique du fluide (kg/m^3)

- Sdisque = surface du disque balayer par l’hélice (m²)

- Vvol = vitesse de vol

On a donc un système d’équation permettant de calculer la différence entre la vitesse en amont de l’hélice et la vitesse en aval, ainsi que le débit massique. Si l’on fait quelques calculs de puissance autour du fonctionnement de notre hélice, on obtient :

- La puissance utile fournie par l’hélice à l’avion : Pu = Traction x Vvol

- La puissance absorbée par le phénomène propulsif : Pa = Traction x (Vvol + DV/2)

 

Ce qui donne le rendement propulsif : rp = Pu / Pa

 

 

=> Le rendement propulsif fixe une limite absolue vers laquelle toute conception d’hélice devrait tendre.

 

 

Comme le rendement propulsif fixe la limite supérieure de rendement d’une hélice, le choix d'une hélice de petit diamètre par le concepteur d’un aéronef aboutira à de piètres performances. Ceci est d'autant plus vrai que la vitesse de vol sera faible.

 

Si le nombre de pales peut permettre de réduire la perte de performance (nous verrons comment un peu plus loin), cela ne permet en aucun cas de retrouver les performances d’un diamètre adapté.

 

Si le concepteur d’hélices ne peut pas outrepasser les pertes liées au phénomène propulsif, il doit cependant ne pas les dégrader par une mauvaise répartition de la traction sur le disque d’hélice. Et doit donc choisir une répartition de pas, de corde et de profil permettant une répartition de charge optimum.

 

Malheureusement, il existe d’autres sources de perte énergétique : les pertes liées à la traînée des pales.

 

En effet, les pales se comportent comme des ailes et génèrent portance et traînée. Cette traînée se décompose en deux parties : la traînée de frottement et la traînée induite par la portance.

 

 

 

1/ La traînée de frottement sur les profils de la pale

Elle est définie ainsi :

                                   Traînée = 0.5 x mvo x S x CX x V²

 

Le cas de la pale est plus complexe que celui de l’aile, car la vitesse est variable :

- au pied de pale :

Vitesse faible et corde petite donnent un nombre de Reynolds ridicule dégradant beaucoup les caractéristiques du profil (CX important et CZ max faible).

- en bout de pale :

Vitesse très grande et corde très petite, le nombre de Reynolds reste petit.

Mais la vitesse étant proche de celle du son, le nombre de Mach est important.

Le Mach important dégrade les caractéristiques du profil.  Un petit défaut de courbure, d’incidence, et une zone d’écoulement risque de passer supersonique, générant du bruit et dégradant les performances.

 

 

 

2/ La traînée induite par la portance

L'aile a une envergure finie, et par conséquent la portance s’accompagne de traînée induite.

La modélisation de cette traînée induite est délicate, car, contrairement au cas de l’aile, la vitesse est variable le long de la pale.

 

Pour ce point précis, les chercheurs d'Hélices E-PROPS n'ont pas trouvé pas de méthode satisfaisante dans les publications spécialisées ni auprès de laboratoires. L’équipe a donc développé une méthode de calcul originale et efficace, mais un peu gourmande en calcul. Les calculs itératifs de définition des effets induits pour les pales représentent 90% du temps de calcul nécessaire à la modélisation complète de l’écoulement.

 

 

Nous avons vu ici en quelques mots quelles étaient les causes de perte énergétique de la propulsion par hélice, sans toutefois entrer dans les détails trigonométriques de la chose : ces détails ne représentent un réel intérêt que pour l’hélicier.

 

 

Jérémie Buiatti [2010]

 

 

LmPTR Buiatti

 

 

 

 

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