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HELICES : DIAMETRE et NOMBRE de PALES

 

 

 

Les problématiques de diamètre et de nombre de pales d'une hélice, ainsi que des avantages et des inconvénients des différentes solutions, sont souvent évoqués par les pilotes. On entend par exemple: "une bipale traîne moins qu'une tripale", "une petite hélice est plus efficace qu'une grande", ou "le meilleur compromis, c'est la monopale"... C'est parfois vrai, parfois faux, mais dans tous les cas, ce n'est pas aussi simple.

 

Cette page présente quelques notions simples sur ce sujet.

 

 

 

1 - Quelques principes théoriques

 

 

Le rendement

 

L’hélice sert à transformer la puissance mécanique du moteur en puissance utile au vol.

Cette puissance utile se manifeste par une force : la poussée.

La puissance d’un moteur est égale au couple fois le régime de rotation : Puissance moteur = Couple x régime

La puissance utile au vol est égale à la poussée fois la vitesse de vol : Puissance Utile (W) = Poussée x Vitesse (N x m/s)

 

Malheureusement, l’hélice ne convertit pas toute la puissance du moteur en puissance utile. Il y a des pertes.

Le rendement de l’hélice représente l’efficacité de la conversion : Rendement hélice = Puissance utile / Puissance moteur

 

Calculons un cas pratique => quel est le rendement d’une hélice transformant 60000 Watt (80 CV) en 1500 Newton (150 Kg) de traction en lors du décollage à 20 m/s (72 km/h)?

 

Il faut d’abord calculer la puissance utile au vol : Puissance utile = Traction x Vitesse de vol  1500 x 20 = 30000 Watt

Ensuite le rendement : Rendement hélice = puissance utile / puissance moteur => 30000 / 60000 = 0,5 = 50%

 

Le rendement de cette hélice est donc de 50%. Cela implique que la moitié de la puissance est perdue. Dans le cas d’une hélice parfaite sans perte, 30000 W de puissance moteur suffirait pour obtenir 1500 N de traction. Le moteur consommerait deux fois moins et serait bien plus léger.

C’est dire si le rendement de l’hélice influe sur les performances d’une machine !

Pour information, les rendements usuels des hélices vont de 30% à 90%.

 

 

Si on veut aller plus loin, on peut découper le rendement hélice en deux, afin d’en séparer les causes. Une première partie des pertes est liée au principe de propulsion dans l’air : c'est le rendement propulsif. Et on représente la deuxième partie des pertes par le rendement de forme, qui rassemble les effets de traînée aérodynamique.

 

 

Rendement Hélice = Rendement Propulsif x Rendement de Forme


 

 

Le rendement de forme

 

Le rendement de forme regroupe les effets de la traînée des pales. En effet, une pale fonctionnant comme une aile, elle est aussi soumise à la traînée de frottement et à la traînée induite par la portance. Afin de réduire ces pertes, il faut soigner l’aérodynamique des pales pour réduire les frottements, et surtout augmenter le nombre de pales, car cela répartit la portance entre les pales et donc réduit la traînée induite.

 

 

eprops multipale

 

 

 

Le rendement propulsif

 

Le rendement propulsif quant à lui est lié au principe de propulsion par réaction qu’utilise l’hélice. En effet, nos avions se propulsent par réaction, en appliquant un principe observé par Newton : Action = Réaction. Dans notre cas, l’hélice applique une action vers l’arrière sur l’air, et, par réaction, l’air pousse l’hélice vers l’avant. Oui, sauf que comme l’air n’a pas d’appui, l’action de l’hélice sur l’air induit une accélération du flux d’air vers l’arrière. L’effet de l’hélice sur l’air cause donc un souffle induit. Et la mécanique des fluides impose que cette accélération induite de l’air ait lieu pour moitié en amont de l’hélice et pour moitié en aval de l’hélice. Ce qui fait que la vitesse de l’air au moment où elle passe dans le disque d’hélice est égale à la vitesse de vol plus la moitié de la vitesse induite.

 

 

eprops diamètre

 

 

 

La différence entre la vitesse de vol et celle du flux d’air traversant l’hélice est la cause des pertes représentées par le rendement propulsif.

En effet, rappelons-nous que la puissance utile était : Puissance utile = Force x Vitesse de vol

Et la puissance fournie au flux d’air lors de son passage dans le disque sera :

Puissance fournie au flux d’air = Force x (Vitesse de vol + Vitesse induite / 2)

 

 

eprop diametre

 

 

formule hélice

 

 

Le rendement propulsif s’exprimera donc par : Rendement propulsif = Puissance utile / Puissance fournie au flux d’air

Soit : Rendement propulsif = Vitesse de vol / (Vitesse de vol + Vitesse induite / 2)


Cela implique que le rendement propulsif est bon quand la vitesse de vol est beaucoup plus grande que la vitesse du souffle induit par l’hélice. Et de quoi dépend cette vitesse induite ?

Newton a dit : Vitesse induite = Traction / Débit massique

Sachant que : Débit massique = Masse volumique x Surface disque x Vitesse flux au passage du disque

Avec : Vitesse flux au passage du disque = Vitesse de vol + Vitesse induite / 2

Cela donne : Vitesse induite = Traction / (Masse volumique * Surface disque x Vitesse de vol + Vitesse induite / 2)


Donc pour avoir une petite vitesse induite, afin que le rendement propulsif soit bon, il faut du diamètre afin que la surface du disque d’hélice soit grande, ou alors il faut que l'aéronef vole vite.

 

 

 

 

2 - Exemples pratiques

 


Maintenant que nous avons vu les causes de perte de rendement, comparons quelques hélices.

Nous prendrons comme référence une hélice bipale de 1,7 m, absorbant 60 kW à 2500 tr/min en configuration montée à 30 m/s (108 km/h). Le rendement de cette hélice est de 64,9%.

 

 

diamètre hélices

 

 

Ce tableau montre que l’augmentation du diamètre est favorable au rendement, par l’amélioration du rendement propulsif.

Il fait aussi apparaître qu’ajouter des pales permet d’augmenter le rendement, via le gain de rendement de forme.

 

Article en cours de rédaction - compléments à venir

Janv 2014

helice eprops propeller