Hélice contrarotative : principe, avantages et exemple de conception

Une hélice contrarotative est une paire d'hélices coaxiales qui tournent en sens inverse : la seconde récupère la rotation que la première a donnée au fluide, et leurs couples de réaction se compensent. Cet article donne un exemple de conception d'une paire d'hélices contrarotatives (contra-rotating propellers, contra prop) avec le logiciel de calcul d'hélices et d'ailes Heliciel. Nous partons d'une hélice d'avion tripale de 1 800 mm de diamètre et nous dessinons l'hélice aval à partir des résultats de l'hélice amont.

Au sommaire :

• Avantages et inconvénients de l'hélice contrarotative
• Où utilise-t-on des hélices contrarotatives ?
• Concevoir une hélice contrarotative dans Heliciel
• Exemple : l'hélice amont, une hélice normale
• Exemple : l'hélice aval, vitesse axiale et flux tangentiel
• Cumuler poussée, couple et rendement des deux hélices

1 : Avantages et inconvénients de l'hélice contrarotative

L'hélice contrarotative présente plusieurs avantages :

• suppression du couple de renversement et du couple gyroscopique, d'où un gain de maniabilité (pour les avions et les hélicoptères) ;
• sillage redressé : l'énergie perdue dans la mise en rotation du débit de fluide est récupérée par la seconde hélice ;
• diamètres plus petits, à poussée donnée.

Elle a aussi un inconvénient : une complexité plus grande, puisqu'il faut transmettre le mouvement du moteur à deux arbres tournant en sens contraire.

Principe d'une hélice contrarotative : un train planétaire sphérique relie l'arbre moteur aux deux hélices et les fait tourner en sens contraire.

2 : Où utilise-t-on des hélices contrarotatives ?

Ces avantages expliquent que l'hélice contrarotative soit utilisée aussi bien pour les hélices de propulsion marine :

Une embase de bateau à hélices contrarotatives : les deux hélices sont portées par le même axe.

que pour les hélices de propulsion aérienne :

Un projet d'hélices contrarotatives non carénées pour la propulsion aérienne : deux rangées de pales sur un même axe.

Certaines éoliennes commencent aussi à utiliser le gain apporté par la récupération de la mise en rotation du fluide par la première hélice :

Une éolienne contrarotative en vue éclatée : deux rotors sur le même axe, la transmission et la génératrice dans la nacelle.

Enfin, les turbines hydrauliques équipées d'un stator distributeur de fluide peuvent aussi être considérées comme des hélices contrarotatives dont la première hélice est fixe.

Le stator placé en amont d'une turbine joue le rôle d'une première hélice immobile (capture d'écran d'Heliciel).

3 : Concevoir une hélice contrarotative dans Heliciel

Pour être complet, Heliciel devait envisager la conception des hélices contrarotatives. Il y parvient en intégrant un paramètre d'introduction de flux tangentiel, que nous utilisons dans l'exemple ci-dessous. Une interface multirotors permet aussi de modéliser directement une paire d'hélices contrarotatives, ou un système multirotor de type drone FPV ou VTOL (Vertical Take-Off and Landing, décollage et atterrissage verticaux), et de tester les performances du système.

Le didacticiel vidéo « Hélices contra rotatives » présente cette fonction :

Dans la suite de la page, nous détaillons la méthode à la main, pas à pas, pour comprendre ce que calcule l'interface.

4 : Exemple : l'hélice amont, une hélice normale

L'hélice contrarotative se compose de deux hélices tournant en sens contraire. La première hélice est optimisée comme une hélice normale : nous utilisons donc Heliciel pour calculer et créer une hélice de propulsion marine, aérienne, éolienne ou hydrolienne.

Pour exemple, ouvrons un modèle d'hélice aérienne et paramétrons-la comme suit :

• une hélice aérienne tripale ;
• un diamètre de 1 800 mm (rayon en bout de pale 900 mm, pied de pale à 17 % du rayon, soit environ 153 mm) ;
• une corde au pied de 197 mm et une corde en bout de 82 mm ;
• des paramètres d'équation de cordes : −0,0002894943 × r² + 0,1508884 × r + 180,6908 (r en mm, corde en mm) ;
• une vitesse de rotation de 1 000 tours/minute ;
• une vitesse d'avance de 201 km/h (56 m/s).

Avec ces données, la vitesse de bout de pale est d'environ 339 km/h, comme l'affiche Heliciel pour cet exemple. Voici cette conception en vidéo :

5 : Exemple : l'hélice aval, vitesse axiale et flux tangentiel

La seconde hélice, placée en aval, reçoit un courant de fluide dévié (composante tangentielle) et accéléré (composante axiale) par l'hélice amont. Elle doit donc avoir un vrillage et un calage optimisés avec des paramètres de vitesse du fluide légèrement différents de ceux de la première, et bien sûr un sens de rotation inversé. Pour créer cette hélice aval, nous utilisons les résultats de l'hélice amont pour connaître la vitesse du fluide à l'entrée et la composante tangentielle à paramétrer.

Dans la zone de résultats de l'hélice amont, au niveau de l'élément situé aux environs de 0,75 fois le rayon de pale (élément 4, la zone la plus efficace de l'hélice), nous relevons la vitesse axiale en aval : 60,2 m/s, qui sera la vitesse du fluide de notre seconde hélice, et la vitesse tangentielle en aval : 7,7 rad/s, qui sera la valeur d'introduction de flux tangentiel de la seconde hélice.

Les résultats de l'hélice amont : la bulle d'aide indique, pour l'élément 4, une vitesse tangentielle en aval de 5,236 m/s, soit 7,7 rad/s.

Après avoir enregistré l'hélice amont, nous la transformons en hélice aval. Nous remplaçons d'abord la vitesse du fluide de 56 m/s par la valeur relevée, 60,2 m/s, car c'est la vitesse que perçoit l'hélice aval.

La vitesse du fluide de l'hélice aval est réglée à 60,2 m/s, la vitesse axiale relevée en aval de l'hélice amont.

L'hélice amont a aussi fait tourner le flux. Nous utilisons donc le menu Paramètres > Introduire un flux tangentiel moyen en amont (radians/seconde) pour entrer la valeur relevée de 7,7 rad/s. Notez que la valeur introduite doit être négative dans notre cas, car elle est contraire au sens de rotation de l'hélice (le sens de rotation de l'hélice est positif).

Le menu d'introduction du flux tangentiel moyen en amont : la valeur −7,7 rad/s s'affiche en rouge à côté du menu. La bulle d'aide rappelle que cette fonction modélise l'action d'une autre hélice ou d'aubes directrices (stator de turbine).

Il ne reste plus qu'à lancer la reconstruction avec ces nouvelles données, pour calculer le vrillage et les performances de l'hélice aval.

Avant d'exporter la géométrie vers votre logiciel de CAO au format IGES (IGS), il faut inverser le sens de rotation sous l'onglet 3D, afin de reconstruire une géométrie inversée :

Dans l'onglet Prototype 3D, le menu Sens de rotation propose « Hélice à droite » et « Hélice à gauche » : l'hélice aval prend le sens opposé à celui de l'amont.

6 : Cumuler poussée, couple et rendement des deux hélices

Les performances de l'hélice amont et de l'hélice aval se cumulent. Les poussées s'ajoutent, ainsi que les couples à l'arbre et les puissances, si nous voulons connaître la poussée, le couple et la puissance totaux de l'hélice contrarotative. Les deux hélices tournant en sens inverse, leurs couples de réaction s'opposent sur la cellule : c'est ce qui supprime le couple de renversement.

Le rendement de l'hélice aval peut parfois dépasser 1. Heliciel le calcule sans tenir compte de l'apport d'énergie du flux tangentiel introduit, qui est récupéré et donne donc un surplus de puissance anormal. La moyenne des rendements des deux hélices donne un rendement global plus réaliste, inférieur à 1. Une autre façon de le former est de diviser la puissance utile totale (poussée totale × vitesse d'avance de 56 m/s) par la puissance totale à l'arbre.

La fonction de conception des hélices contrarotatives est encore plus facile à utiliser avec l'interface multirotors d'Heliciel :

Pour aller plus loin, nous pouvons régler la distance entre hélices et le régime aval d'un propulseur d'ULM, ou comparer une hélice contrarotative à d'autres hélices d'avion.