Hélice - Définition

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Hélice du navire USS Churchill (classe Arleigh Burke).
Hélice du navire USS Churchill (classe Arleigh Burke).
Hélices contrarotatives sur un P-51 (moteur Rolls-Royce)
Hélices contrarotatives sur un P-51 (moteur Rolls-Royce)

Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant " spirale ". Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.

Géométrie

C'est une courbe gauche dont la tangente en chaque point fait un angle constant avec une direction donnée.

Pour obtenir une hélice de manière simple, prendre une feuille rectangulaire, tracer une diagonale et enrouler la feuille pour former un cylindre ; le trait forme une hélice. C'est aussi la forme des ressorts à boudin et des solénoïdes.

Mécanique

C'est un appareil de traction, compression, propulsion, sustentation, ou inversement ou de mesure, formé de plusieurs pales disposées régulièrement autour d'un axe. Lorsque son axe entre en rotation, ce système décrit des hélices dans un fluide en avançant perpendiculairement à la rotation, grâce aux pales orientées suivant un certain angle ou pas qui prennent appui sur le fluide. Une hélice peut donc être motrice (transfert d'énergie vers le fluide: avion) ou réceptrice (récupération d'énergie depuis le fluide: éolienne ou aérogénérateur); le profil des pales étant optimisé pour l'utilisation prévue.

Applications

  • Mue par un moteur elle est utilisée pour le déplacement d'une machine dans un fluide et, inversement pour mouvoir un fluide dans un contenant (la machine restant immobile). Il y a transfert d'énergie du moteur vers le fluide.
  • Associée à un capteur, elle sert à mesurer la vitesse de déplacement d'un fluide, ou le déplacement d'un objet dans un fluide. Il n'y a théoriquement pas de transfert d'énergie.
  • Associée à un récepteur ou un générateur elle est utilisée pour récupérer de l'énergie dans un fluide en mouvement relatif ("alternateurs traîne" et largués derrière certains voiliers, moulins à vent, aérogénérateur, certaines turbines de centrales électriques, ...). Il y a transfert d'énergie du fluide vers le moteur.

Joseph Ressel, ressortissant de l'empire austro-hongrois, est l'inventeur de la propulsion d'un navire par une hélice (invention brevetée en 1827).

Hélice marine

Hélice de navire
Hélice de navire

L'hélice est le moyen de propulsion le plus courant pour déplacer un bateau ou un sous-marin. L'application de la propulsion des navires par l'hélice, est attribuée à l'ingénieur français Frédéric Sauvage.

De la cavitation peut apparaître si l'hélice est soumise à une force plus importante que celle pouvant être transmise à l'eau. Cela conduit à une perte d'énergie, à une augmentation du bruit produit par l'hélice et surtout à une érosion de la surface de l'hélice. Cependant, la cavitation peut être un effet recherché, comme dans les dispositifs de propulsion à supercavitation.

Hélice aérienne

Détail d'un moteur à hélices contrarotatives (Antonov An-70
Détail d'un moteur à hélices contrarotatives (Antonov An-70
Hélice à pales à pas variable d'un (Lockheed P-3 Orion)
Hélice à pales à pas variable d'un (Lockheed P-3 Orion)

Pour les avions

L'hélice a été le premier système de propulsion en aviation et reste encore utilisée pour les avions ne nécessitant pas de grandes vitesses de translation. Le pas des pales peut être augmenté ou diminué afin d'assurer un brassage plus ou moins important de l'air pour faire varier la vitesse du véhicule. En cas de panne du moteur, les pales peuvent être orientées de manière à offrir la moindre résistance au vent et ne pas créer de traînée. On parle alors de mettre l'hélice en drapeau.

Hélices en drapeau (Hercules C-130)
Hélices en drapeau (Hercules C-130)

Schématiquement, une hélice d’avion est avant tout une aile qui tourne (la forme de la section des pales est le même), tirant l’avion vers l’avant, en restituant au maximum 80% (environ) de la puissance fournie par le moteur pour une hélice classique; et jusqu'à 95% pour des hélices contra-rotatives.

La face avant de la pale, bombée, est à comparer à l’extrados de l’aile tandis que la face arrière (à l’intrados) est relativement plate, voire creuse. La vitesse de l'air à l'extrados supérieure à celle de l'intrados crée une dépression plus importante d'où la "traction".

La notion de pas est la distance que parcourt l’hélice, lorsqu’elle fait un tour complet. Pour un pas donné, le calage angulaire du profil va décroissant en s'éloignant du centre, car le chemin parcouru augmente avec le rayon, d'où l'aspect vrillé de l'hélice. Dans son fonctionnement, le pas efficace de l'hélice est plus faible que le pas géométrique.

  • Petit Pas : Calage de 10° (environ) de la pale ;
  • Grand Pas : Calage de 45° (environ) de la pale ;
  • Mise en Drapeau : Calage à 90° (environ) de la pale, pour l’effacer dans le vent.

Pour simplifier au maximum, plus le pas est grand, plus la vitesse de l'avion peut être grande.

En Mode Manuel, le pilote peut donc modifier le calage, à loisir, des pales en actionnant (plus ou moins longuement) les commandes PP et GP. En Mode Automatique, c’est le régulateur de vitesse (couplé à la commande des gaz ou avec une remontée du régime moteur) qui modifie le calage des pales, le pilote ne pouvant intervenir que pour les positions PP et GP (hélice à régime constant).

Une hélice est dite tractrice ou propulsive selon qu'elle est placée devant ou derrière le véhicule, on donc qu'elle le 'tire' ou le 'pousse'. Par exemple, le Dornier Do X est à hélices propulsives, le Grob à hélice tractrice, et, plus rare, le Do 335 utilise deux moteurs, l'un propulsif, l'autre tracteur.

Dans les premiers stades de l'aviation de guerre, l'emploi conjoint d'une mitrailleuse et d'un système de propulsion sur les avions de chasse obligeait à placer l'arme hors du disque décrit par la rotation des pales (la plupart du temps sur la voilure supérieure des avions biplans) pour éviter leur destruction par les projectiles. Ceci avait comme inconvénient que le pilote devait tenir compte de la parallaxe entre son regard (la ligne de visée) et l'âme de l'arme. C'est l'aviateur Roland Garros qui mettra au point le premier mécanisme de synchronisation permettant d'assurer le passage des balles entre les pales de l'hélice. Plus tard, certains avions comme le Morane-Saulnier MS.406 ou le Dewoitine D.520 recevront un canon de Hispano Suiza de 20mm tirant au travers du moyeu d'hélice, mais cette disposition est restée marginale malgré sa grande efficacité du fait de la difficulté de placement du canon (placé entre les 2 rangées de cylindres du moteur V12) et de la faible capacité en munitions limitée par le volume disponible.

Pour les hélicoptères

Les pales formant le rotor principal assurant la sustentation et le déplacement des hélicoptères sont de très grande taille et leur nombre varie en fonction de la masse et de la vitesse du véhicule (Grue volante). La variation du pas peut être commandée collectivement (montée/descente, manche gauche) ou de manière cyclique (mouvements de translation dans le plan horizontal, manche droit).

  • Ce rotor assure à la fois la portance, la propulsion et le guidage du véhicule.
  • Le couple engendré par le rotor principal doit être compensé afin d'empêcher la cellule de tourner dans le sens contraire. Plusieurs solutions sont possibles :
    • un système de propulsion latéral assuré par un rotor anti-couple ou un flux d'air (NOTAR) situé au bout d'une poutre de queue,
    • un second rotor principal qui peut être superposé au premier et placé sur le même axe mais tournant en sens inverse (rotor contrarotatif comme sur les appareils Kamov) ou placé à une distance plus ou moins grande du premier (rotors engrenants comme sur le K-Max).
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