Point de fonctionnement d'une hélice et vrillage de pale : saisie, vitesse apparente, hors design

Le point de fonctionnement d'une hélice est le couple formé par la vitesse du fluide et la vitesse de rotation. Ces deux vitesses se combinent pour donner, sur chaque profil de la pale, une vitesse apparente et un angle apparent ; ce sont eux qui fixent le vrillage de pale (le calage de chaque section) qui convient. Dans Heliciel, vous entrez ces données dans l'onglet 1.3 : Point de fonctionnement, puis le logiciel calcule la géométrie et les performances qui s'y rapportent.

Au sommaire :

• 1 : Saisir le point de fonctionnement dans Heliciel
• 2 : Vitesse apparente et angle apparent le long de la pale
• 3 : Vitesse périphérique et sections de pale
• 4 : Du point de fonctionnement au vrillage de la pale
• 5 : Quand le point de fonctionnement change : le mode hors design

1 : Saisir le point de fonctionnement dans Heliciel

Vous renseignez ici la vitesse du fluide en amont de la pale, c'est-à-dire la vitesse de l'avion, du bateau ou du vent, et la vitesse de rotation de l'hélice si vous la connaissez. Si vous ne la connaissez pas, vous pouvez laisser Heliciel la déterminer : c'est le rôle des outils d'optimisation décrits sur la page vitesse de rotation optimale et nombre de pales.

L'onglet de saisie du point de fonctionnement : la vitesse du fluide en amont (ici en m/s, avec sa conversion en km/h et en nœuds), le débit volumique pour une hélice en conduit, et la vitesse de rotation en tours par minute.

2 : Vitesse apparente et angle apparent le long de la pale

La vitesse du fluide et la vitesse de rotation ont chacune leur direction : le fluide arrive dans l'axe, la pale tourne autour de cet axe. Elles se composent donc en une vitesse apparente et un angle apparent, que le profil « voit » arriver. Ils changent selon l'endroit de la pale que l'on observe.

Le triangle des vitesses : la vitesse du fluide en amont et la vitesse périphérique forment les deux côtés, la résultante est la vitesse apparente, et l'angle apparent est celui qu'elle fait avec la direction du fluide.

Cet angle varie donc avec la vitesse de rotation comme avec la vitesse du fluide. C'est ce couple de deux vitesses qui constitue le point de fonctionnement de notre hélice.

3 : Vitesse périphérique et sections de pale

La vitesse périphérique, en m/s, d'un point de la pale est le périmètre du cercle qu'il décrit multiplié par le nombre de tours par seconde : v = 2 π r n, avec r le rayon en mètres et n la vitesse de rotation en tours par seconde. Si l'on découpe la pale en tranches, on constate que, pour une même vitesse de rotation, une tranche en bout de pale avance bien plus vite qu'une tranche proche de l'axe.

Exemple hypothétique, pour fixer les idées : à 10 tours par seconde (600 tr/min), un profil situé à 0,10 m de l'axe avance à environ 6,3 m/s, et un profil situé à 0,50 m à environ 31,4 m/s. Si le fluide arrive à 5 m/s, l'angle apparent, mesuré comme sur la figure précédente, vaut alors environ 52° près de l'axe et 81° en bout de pale.

Les sections de pale sont en général des profils aérodynamiques. La partie de la pale comprise entre deux profils est un élément de pale : c'est sur chacun de ces éléments que la méthode BEM (Blade Element Momentum, méthode des éléments de pale) fait son bilan de forces.

Une pale vue de face et de profil : l'inclinaison des profils change d'un rayon à l'autre, c'est le vrillage.

4 : Du point de fonctionnement au vrillage de la pale

Comme la vitesse d'un profil en bout de pale diffère de celle d'un profil proche de l'axe, le courant composé varie en angle et en vitesse avec la distance à l'axe de l'hélice. Pour que l'incidence de chaque profil reste à l'optimum, il faut donc faire varier le calage (l'angle entre le plan de rotation et la corde du profil) en fonction de la direction du courant composé. C'est le vrillage de la pale.

Le plan de vrillage d'une pale calculé par Heliciel : de 39,3° au pied de pale à 3,8° en bout, d'après les valeurs inscrites sur le dessin.

Le point de fonctionnement détermine donc aussi le vrillage. Une pale est vrillée pour que ses angles soient optimaux à un point de fonctionnement précis.

5 : Quand le point de fonctionnement change : le mode hors design

Si la vitesse de rotation ou la vitesse du fluide varie, le vrillage de la pale n'est plus optimum. L'hélice fonctionne alors en dehors de son point de conception : c'est le mode hors design (off design). Ses profils ne travaillent plus à leur meilleure incidence, et son rendement baisse en conséquence. Heliciel sait traiter les deux situations :

• reconstruire le vrillage optimum pour le nouveau point de fonctionnement
• calculer les performances hors design de la pale existante

Pour aller plus loin, nous pouvons comparer plusieurs points de fonctionnement d'un seul coup avec l'analyse multiple des points de fonctionnement, ou voir comment modifier le calage et le pas de la pale pour s'adapter à un point donné.