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Un petit rappel de la nuance entre pas géometrique et pas effectif sera peut etre utile avant de consulter cette page:pas helice geometrique et effectif
Dans le langage courant, l ' expression hélice à « pas fixe » est impropre car, en fait, elle désigne une hélice dont le calage est fixe, mais dont le pas varie tout le long de l'envergure de la pale (vrillage).
L'expression courante hélice à « pas variable » désigne une hélice dont le pas varie tout le long de l'envergure de la pale (comme dans le premier cas) et dont on peut faire varier collectivement le calage de toutes les sections grace au montage de la pale sur un axe..
Une hélice à pas fixe correspond un seul point de fonctionnement défïni par sa vitesse de rotation et la vitesse du fluide. On comprend dès lors que toute une génération de techniciens se soit attachée à réaliser l'hélice à pas variable.
Variation du pas des hélices de propulsion
L'hélice est un organe assimilable à une vis qui transforme le mouvement de rotation du moteur en mouvement de propulsion, de translation de l'avion ou du bateau ; elle transforme un mouvement circulaire en un mouvement rectiligne, tout comme l'ensemble constitué par les roues et les organes de transmission pour les véhicules terrestres. Mais ces derniers prennent appui sur une surface solide (route, rail) alors que l'hélice s'appuie sur un milieu fluide, donc élastique. L'hélice est assimilable à une vis, mais le parallèle helice-vis n'est valable que dans une certaine mesure. Si l'hélice pouvait être considérée comme le boulon que l'on visse dans un écrou, elle n'aurait qu'une seule vitesse de translation pour un régime donné. En fait l'air, parce qu'il est élastique, permet à l'hélice de tourner alors que la vitesse de translation de l'avion n'est pas celle qui correspond au pas (la vitesse de translation de l'avion est déterminée par le pas de l'hélice et le nombre de tours du moteur). Cette possibilité se paie par un moindre rendement de l'hélice. En somme, du point de vue du propulseur, cette "éIasticité" du fluide présente un avantage : plage, souplesse de fonctionnement de hélice ; un inconvénient : perte de rendement (recul).
On peut dire que le problème de l'hélice à pas variable est un aspect du problème général du changement de vitesse. En effet, quels que soient les véhicules considérés et les milieux dans lesquels ils se meuvent, les techniciens ont toujours tenté d'approcher ce résultat: valeur constante et aussi élevée que possible du produit Energie reçue à la sortie du moteur Rendement du système propulseur. A priori donc deux ordres de démarches: intervenir sur le système de transmission de mouvement qui lie le moteur au propulseur, ou intervenir sur le propulseur.
La variation de pas de l'helice avion:
Le système de transmission serait théoriquement une boîte de vitesses qui n'est donc pas à considérer dans l'aviation - trop lourd et il faut supprimer le couple-moteur pour passer d'un rapport de vitesse à l'autre. Il reste à considérer le propulseur, l'hélice Pour obtenir la constance du produit indiqué plus haut, nous disposons de plusieurs éléments : la surface des pales, la forme générale de leurs profils - le profil d'une hélice est évolutif de l'encastrement à la périphérie -, la courbure du profil, le calage de la pale par rapport à l'axe de l'hélice. On peut agir sur la surface des pales soit en faisant varier le diamètre (par exemple, pale dont le pied se visse ou se dévisse à volonté), soit en faisant varier la profondeur de la pale (hélice à fente, par exemple) et ce fut le cas de l'hélice Clarence Holman, réalisée aux Etats-Unis et qui comportait un volet de bord d'attaque, comme il en était pour l'aile du Potez 36. Soit encore comme suit: sur un même moteur, deux hélices tournant en sens inverse pour les phases décollage, montée, vol lent; pour le vol rapide, une seule hélice en fonctionnement, l'autre tournant en roue libre. Et l'on retrouve là le cas de l'hélice française Salaun ; celle-ci était constituée par deux hélices semblables montées sur l'arbre moteur, l'une derrière l'autre; les deux hélices exécutaient le mouvement de rotation de toutes les hélices mais, de plus, l'hélice avant avait la faculté de coulisser sur l'arbre, ce qui fait que la fente entre les deux hélices était variable en largeur et elle variait automatiquement. On peut agir sur le profil par un artifice qui modifie l'écoulement autour de ce profil. Bréguet, vers 1930, réalisa une hélice à pales creuses: des trous percés le long de l'intrados, provoquaient des effets de tuyère qui intervenaient sur la distribution de l'écoulement. Solution difficile à réaliser, comme les précédentes.
Solution idéale: l'hélice à diamètre, à profil, à surface et à pas simultanément variables en vol. L'une seule de ces quatre conditions est remplie par la variation de pas ce qui explique que le rendement de l'hélice au décollage est moindre de ce qu'il est en croisière
juste pour se faire une idée de la complexitée d'un syteme d'hélice à pas variable(avion)
Shema d'un syteme de pas variable hydraulique
vue en coupe d'une hélice a pas variable
Synthese des systeme de variation de pas helice avion:
L'évolution de l'hélice à pas variable s'est faite ainsi. Si l'on considère la gamme des pas:
- Hélice à deux pas (demarrage et croisière)
- Hélice à pas multiples.
- Hélice à pas multiples, y compris mise en drapeau.
- Hélice à pas multiples, y compris mise en drapeau et réversibilité.
Si l'on considère le mode de commande, et danschacune des catégories précédentes:
- Hélice à commande manuelle.
- Hélice à fonctionnement automatique.
Si l'on considère l'énergie mise en jeu pour changement de pas
- Energie empruntée au moteur (hélices à commande mécanique et à commande hydraulique)
- Energie électrique a) moteurs tournant ; b)moteurs teurs fixes.
- Energie aérodynamique (moulinets, barres de torsion).
- Air comprimé.
Si l'on considère le système de commande rotation des pales
- Par biellettes.
- Par vis sans fin.
- Par crémaillère.
- Par pignons coniques.
La commande mécanique:
Avec ce type de commande, l'énergie nécessaire à la variation de pas est empruntée au moteur ; pour cela on monte un embrayage entre carter du moteur et le système de commande des pales (solidaire de l'arbre moteur) ; lorsque l'embrayage est mis en fonctionnement, il assure la varition de pas de l'hélice par l'intermédiaire de l'un des systèmes de commande dont il vient d'être parler et d'un réducteur. L'embrayage peut être actioné soit à la main, soit à l'aide de coupleurs, ceux-ci étant électromagnétiques ou pneumatiques.
La commande électrique:
Deux types de réalisation : moteur mobile fixé en bout d'arbre et entraîné par l'hélice ; moteur fixe. Dans un cas comme dans l'autre, le mouvement de rotation du moteur électrique est transformé _par un réducteur_en un mouvement de rotation de la pale d'hélice. Avec l'énergie électrique, on utilise une source indépendante du fonctionnement du moteur, ce qui est un avantage et un inconvénient. La régulation est facile à réaliser avec ces hélices, mais ce système présente une certaine fragilité surtout dans le cas du moteur électrique tournant et une grande quantité de courant est nécessaire pour obtenir une variation de pas rapide.
La commande hydraulique :
Comme dans le cas de la commande mécanique, ce type d'hélice ne fait appel à aucune énergie de servitude : il utilise l'huile du circuit qui alimente le moteur. Trois variantes : à cylindre mobile et piston fixe (Rotol), à cylindre fixe et piston - à simple effet - mobile (Hamilton) à cylindre fixe et piston - à double effet - mobile (Hamilton). Dans les réalisations comportant un piston qui ne travaille que sur une seule face, l'hélice est à deux pas, en général, l'un des pas étant obtenu par la pression de l'huile sur le piston, alors que c'est la force centrifuge qui ramène l'hélice à l'autre pas. La position « drapeau par contre, peut être facilement obtenue avec les pistons à double effet.
La régulation:
Depuis l'origine, la commande manuelle du pas apparut comme provisoire. Le pas devait varier automatiquement, soit d'une façon continue, soit parfois presque instantanément. Depuis l'origine donc il était admis implicitement que la variation de pas nécessitait un régulateur automatique.
Nous avons vu qu'à chaque point de fonctionnement correspond une incidence optimale des pales, il est donc nécessaire que l'ensemble moteur helice comporte un régulateur automatique, système dont le rôle est précisément de lier à chaque instant - et automatiquement - l'incidence des pales, le « pas » donc, au régime du moteur. Classiquement le régulateur comporte un dispositif centrifuge agissant par un relais sur la commande de variation de pas : quand la vitesse de l'avion ou du bateau tend à augmenter, le régulateur augmente le pas ; bien entendu il diminue le pas si la vitesse tend à diminuer.
La variation de pas de l'hélice de bateau
Malgres leur complexité suplémentaire, les hélices à pas variable offrent des avantages certains aux bateaux: les systemes de variation de pas son nombreux , observons deux types de variation de pas:
- La variation de pas automatique(self pitching propeller) utilisée sur les petits navires et voiliers.
les "self pitching propellers" actuelles sont derivées du travail de Griffith en 1849 .En marche avant les pales de l'hélice dont l'axe mobile permet la rotation, viennent sous leffet de la portance et d'un désaxage se mettre en butée à leur incidence de fonctionement.Si l'arbre d'hélice secce de tourner les pales se mettent en drapeaus et diminuent la trainée lorsque le bateau est sous voiles.En marche arriere les palse viennent se caller en butée à l'angle d'incidence optimum pour la marche arriere.Il est a noter que les positions des angles en marche arriere et avant son préreglées. Elle ne peuvent etre ajustée en cours de fonctionnement et l'angle d'incidence est optimum uniquement si le prérèglage de l'angle en butée correspond au point de fonctionnement de l'hélice à cet angle.
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- La variation de pas controlée qui equipe les grosses unitées.
.Ajuster l'angle d'incidence de maniere à ce que l'hélice offre sont meilleur rendement est un des premiers atouts de l'hélice a pas variable .La possibilité de manoeuvrer sans modifier la vitesse de rotation du moteur ou d'ajuster sa vitesse avec précision dans les passages étroit ou des files de navires se suivent.Une marche arriere sans modifier le sens de rotation de l'arbre peut aussi etre appréciable. la mise en drapeau est apréciable pour les navires dont certaines de leurs hélices peuvent ainsi etre arretées sans générer trop de trainée.(propusions multi hélice) L'éfficacite de la propulsion en marche arriere peut etre augmentée par rapport a une hélice a pas fixe tournant à l' envers
Un simple coup d'oeil sur l'evolution des ventes d'helice à pas variables nous donne une idée de la place qu' a pris ce systeme dans la construction naval:
variation de pas d'une helice motrice éolienne hydrolienne
Les éoliennes utilisent la variation de pas principalement comme moyen de régulation de leur puissance:
Les vitesses de vent élevées sont certes très intéressantes d'un point de vue énergétique mais elles sont peu fréquentes. Inutile donc de surdimmensionner l'éolienne pour celles-ci . Car le prix de certains composants augmente rapidement avec la puissance qu'ils doivent transmettre.C 'est pourquoi les aérogénérateurs modernes sont conçus de manière à atteindre leur puissance nominale à environ 15 m/s et sont arrêtés automatiquement vers 25 m/s. Pour limiter la puissance qui augmente avec le cube de la vitesse du vent, il est nécessaire de prévoir un système de régulation. Sommairement, on en distingue deux sortes:
- pas fixe : les pales sont montées de manière rigide et c'est la géométrie de la pale qui est conçue pour mettre à profit le décrochage aérodynamique de façon à faire chuter le rendement aérodynamique et maintenir la puissance presque constante au-dessus de la vitesse de vent de régulation (stali control). Ce système a l'avantage d'être simple, donc fiable et moins coûteux. Cela compense ses performances légèrement moins bonnes que le pas variable
- pas variable : les pales sont mobiles autour de leur axe longitudinal. On dit alors que l'hélice est à pas variable et un mécanisme augmente ce pas quand la vitesse du vent devient trop importante, de manière à réduire la portance et donc le couple moteur (pitch control). Il est plus complexe, mais il permet une régulation plus fine et présente un meilleur rendement. Un système de contrôle avancé détermine la meilleure position des pales en fonction du vent et dirige le système hydraulique pour exécuter le positionnement.
Autres atouts du système à pas variable:
- Il diminue la charge sur les structures dans des conditions de vent fort car les angles des pales sont tels qu'elles capturent difficilement le vent dans des conditions de tempête où aucun constructeur ne veut avoir une machine en fonctionnement.
- La vitesse de démarrage est réduite. La puissance nominale n'est jamais dépassée. Cela garantit une puissance en sortie "propre".
- La poussière qui se dépose sur les pales est régulièrement évacuée, évitant ainsi de coûteux nettoyages.
- L'ajustement de l'angle des pales selon le site n'est pas nécessaire.
- C'est un système de sécurité contre une survitesse de la turbine.
- La sortie de la machine s'adapte à la charge du réseau, évitant des systèmes de décharge chers et fragiles.
- Les variations de densité de l'air sont compensés.
- Il évite le montage de disque de frein pour ralentir la turbine dans des conditions de vent fort, ce qui réduit les coûts de maintenance et évite des efforts sur les principaux composants dans le processus de réduction de vitesse.
La régulation de la vitesse de rotation se fait aussi à l'aide de moteurs électriques, pour les grandes puissances. Dans ce cas, on utilise soit des moteurs individuels pour chaque pale, synchronisés entre eux, soit un moteur électrique unique pour l'ensemble des pales. Les moteurs pas à pas démultipliés entraînent des roues dentées qui engrènent sur les roues dentées fixées sur la racine de chaque pale. La commande se fait à travers l'arbre primaire.
Quelle que soit la méthode employée, le dispositif contrôle le pas de manière permanente. II facilite le démarrage en donnant. aux pales, un angle de calage suffisant. Entre la vitesse de vent de démarage et la vitesse de vent nominale , il fait fonctionner la machine au maximum de son rendement aérodynamique. Entre la vitesse de vent nominale et la vitesse de vent maximum, il limite la puissance captée en augmentant le pas. Lorsque la vitesse de vent atteint la valeur maximum, il arrête l'éolienne en mettant ses pales en drapeau.
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