Incidence des profils de pale ou d'aile : forcer l'angle d'incidence dans Heliciel

L'incidence d'un profil de pale ou d'aile est l'angle entre sa corde et la direction du fluide ; par défaut, Heliciel applique à chaque profil l'incidence qui donne la finesse maximale, quelle que soit la loi de sélection des profils. Le vrillage de la pale est donc construit en tenant compte des vitesses induites et de cette incidence de finesse maximale. Heliciel vous laisse aussi forcer l'incidence d'un élément, ou de tous, quand le meilleur rapport portance/traînée n'est pas l'objectif visé.

Au sommaire :

• L'incidence de finesse maximale, choix par défaut
• Pourquoi forcer l'angle d'incidence d'un profil
• Comment forcer l'incidence dans Heliciel
• Ne pas confondre incidence et calage
• Exemple : une incidence de 48° sur une éolienne

1 : L'incidence de finesse maximale, choix par défaut

Sur un profil, la portance L (Lift en anglais) est la force perpendiculaire au déplacement du fluide, et la traînée D (Drag) la force parallèle à ce déplacement, toutes deux en newtons. L'angle α est l'angle d'incidence. La finesse est le rapport L/D, ou Cz/Cx (Cl/Cd) en coefficients : elle passe par un maximum pour une incidence donnée.

Le profil et ses forces : la portance L est perpendiculaire à la vitesse du fluide, la traînée D parallèle, et l'incidence α se mesure entre la corde et le fluide.

Cette incidence de finesse maximale garantit le meilleur rapport poussée/couple pour une hélice de propulsion, et le meilleur rendement de captation pour une hélice d'éolienne ou d'hydrolienne. Heliciel la retient donc pour chaque profil, tant que vous ne demandez rien d'autre.

2 : Pourquoi forcer l'angle d'incidence d'un profil

Dans certains cas, vous pouvez décider vous-même de l'incidence d'un élément de pale ou d'aile. Heliciel vous permet de choisir l'incidence appliquée au profil de base de chaque élément. L'incidence de finesse maximale n'est pas toujours l'objectif idéal ; trois situations l'illustrent.

• Une éolienne qui doit démarrer. Il est souvent utile d'appliquer une incidence de « portance maximale » dans la zone du pied de pale, pour un meilleur démarrage de la machine. Ces profils sont proches du centre de rotation : la perte de finesse dégrade très peu les performances globales de l'hélice, dont la zone la plus efficace se situe à 0,7 fois le rayon.
• Une hélice fortement chargée. Elle doit générer une forte poussée dans un diamètre limité. Quand la surface de travail est déjà au maximum et que la vitesse de rotation est imposée par le moteur, vous gagnez en poussée en augmentant l'incidence, mais le rendement se dégrade.
• Une hélice qui cavite. Il peut être utile de diminuer légèrement la portance en réduisant l'incidence. La poussée diminue alors aussi.

Heliciel calcule les vitesses induites et le calage de la pale (ou de l'aile) en tenant compte des performances à l'angle d'incidence forcé. Vous pouvez donc déformer la pale à loisir et constater l'effet sur les performances.

3 : Comment forcer l'incidence dans Heliciel

Pour accéder à la gestion des incidences, faites un clic droit sur l'élément dans le modèle 3D, puis choisissez dans le menu contextuel Incidence (Gestion du forcage des incidences). Heliciel demande de reconstruire la pale avant d'accéder au forçage : actualisez d'abord le vrillage au point de fonctionnement.

Le menu contextuel d'un élément de pale : l'entrée « Incidence » ouvre la gestion du forçage.

La fenêtre Gestion incidence des éléments de pale propose de choisir l'angle d'incidence à appliquer à la base de l'élément sélectionné. Un rappel des propriétés actuelles du profil de base est donné : Cx, Cz, finesse 2D actuelle, angle d'incidence actuel, finesse maximale et incidence de finesse maximale. Vous pouvez sélectionner un autre élément, ou appliquer l'angle d'incidence à tous les éléments à la fois. Le forçage peut aussi corriger les discontinuités de forme de pale que créent de forts écarts d'incidence optimale entre deux profils.

La fenêtre de gestion des incidences : à gauche les propriétés actuelles du profil de base de l'élément 3, à droite le choix de l'angle et les boutons de forçage.

4 : Ne pas confondre incidence et calage

L'angle d'incidence est l'angle que forme la corde du profil avec la direction du fluide. Le calage est l'angle que forme la corde avec le plan de rotation, s'il s'agit d'une hélice ; pour une aile, c'est la direction du fluide qui sert de référence. Sur une hélice propulsive, le calage vaut l'angle du fluide, corrigé des vitesses induites, plus l'incidence ; la page sur le vrillage et le calage de la pale détaille ce lien.

Heliciel calcule les vitesses induites d'après les performances à l'incidence sélectionnée, puis règle le calage du profil par rapport à la direction du fluide corrigée de ces vitesses induites. Vous imposez donc l'incidence, et Heliciel en déduit le calage. Pour régler directement le calage de toute la pale, la page sur le calage et le pas de la pale décrit le variateur de pas.

5 : Exemple : une incidence de 48° sur une éolienne

Cette éolienne tripale a le profil de base de son élément n°3, sur 5 éléments, forcé à une incidence de 48 degrés par rapport à la direction du fluide.

L'élément 3 est forcé à 48° : le panneau de droite le confirme (« Incidence forcée ») et la jauge de couple, en bas, passe en négatif.

Le moment de rotation s'est inversé et le couple de l'hélice est devenu négatif. Si l'hélice tournait à 1 100 tr/min, comme dans ce test, elle subirait dans cette configuration un couple de freinage de 0,6 N·m. Ce cas est très improbable, mais il montre l'effet du forçage de l'incidence sur les performances, et son usage possible pour simuler des organes de freinage.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment le forçage se combine avec la vitesse induite dans le calcul du vrillage, ou comment la position de la génératrice change le comportement de la pale sur la page de la génératrice de pale et du moment de cabrage.