hélice (suite)

Importance du tracé de l’hélice

Du tracé de l’hélice dépendent son rendement et le risque de vibrations à l’arrière. Un phénomène important pour le fonctionnement des hélices marines est la cavitation. Au-delà d’une certaine vitesse de rotation de l’hélice, il se forme vers la périphérie des pales un vide dans l’écoulement, provoqué par une dépression trop importante à l’extrados. Le régime de rotation auquel la cavitation prend naissance dépend de la vitesse du navire. La cavitation entraîne une baisse de rendement, des vibrations et des détériorations des pales. On est parvenu dans une large mesure à l’éliminer en limitant l’angle d’attaque et l’épaisseur relative des pales. Enfin, la position des hélices par rapport à la surface libre de l’eau est importante, la cavitation étant favorisée par une insuffisante immersion des pales.

Hélices aériennes

Ce sont celles qui sont associées aux moteurs à pistons et aux turbopropulseurs pour la propulsion des avions, ainsi que celles qui sont utilisées dans les éoliennes. Pour définir une pale, il suffit de connaître la forme des différentes sections par des plans perpendiculaires à l’axe de la pale. Comme pour un profil d’aile, on peut choisir pour chacune de ces sections une corde de référence, et l’angle α que fait cette corde avec le plan de l’hélice est appelé calage de la section. On définit alors le pas de cette section comme le pas de l’hélice géométrique de même axe que l’hélice considérée et tangente à la corde de référence. Pour une section située à la distance r de l’axe de rotation, le pas a pour valeur 2 r tg α. Ce pas peut conserver la même valeur tout au long de la pale ; on construit cependant des hélices pour lesquelles il varie en fonction du rayon de la section. Enfin, il existe des hélices pour lesquelles l’ensemble des pas des sections varie en cours de fonctionnement ; ces hélices sont dites « à pas variable ».

Le nombre de pales varie généralement de deux à quatre ; cependant, dans certains cas particuliers, on a réalisé des hélices à six pales.

Les performances des hélices dépendent dans une large mesure des paramètres géométriques ; c’est notamment le cas du rendement, c’est-à-dire du rapport de l’énergie de propulsion à l’énergie motrice. C’est ainsi que, pour des vitesses par rapport à l’air limitées, les meilleurs résultats sont obtenus avec des pales à profil mince, relativement étroites, c’est-à-dire dont la largeur ne dépasse pas 10 p. 100 du rayon. Mais, comme pour les profils d’ailes, les phénomènes aérodynamiques se modifient au fur et à mesure de l’augmentation de la vitesse, ces modifications commençant par affecter les extrémités de pales, puisque c’est l’endroit où la vitesse est la plus grande. Sur une hélice d’avion, par suite de la composition de la vitesse d’avancement de l’avion et de la vitesse de rotation de l’hélice, la vitesse du son est atteinte localement bien avant qu’il n’en soit de même pour l’aile ; le rendement de l’hélice diminue alors très vite. Aussi, pour faire voler dans de bonnes conditions des avions à hélices à de hautes vitesses subsoniques, il a fallu modifier les formes de profils et la forme en plan des pales ; on s’est alors orienté vers des profils laminaires à maître couple reculé, et vers des pales élargies à l’extrémité, de telle sorte que l’épaisseur relative soit le plus faible possible.

Sur le plan des dimensions, les hélices d’avion ont généralement des diamètres de l’ordre de 2 à 3 m ; cependant, certains avions à décollage et à atterrissage courts font appel à des hélices de dimensions beaucoup plus importantes, car elles doivent participer non seulement à la propulsion de l’appareil, mais aussi à sa sustentation lorsque la vitesse d’avancement est faible. Tel est le cas, notamment, du Breguet « 941 », dont les quatre hélices ont un diamètre de 4 m et couvrent presque la totalité de l’envergure de l’aile. Enfin, sur certains avions à décollage et à atterrissage verticaux, les moteurs basculent de 90°, de telle sorte que les hélices créent une force de sustentation supérieure au poids de l’avion et permettent un vol vertical.

Dans le cas des avions légers, monomoteurs, l’hélice est à pas fixe et ne fournit un rendement maximal qu’à une seule vitesse de vol. Sur les avions de moyen ou gros tonnage, et en particulier les avions de transport, l’hélice est à pas variable, la variation de pas pouvant même aller jusqu’à inverser le sens de l’effort produit par l’hélice. Il s’exerce alors une force de freinage qui peut être utilisée à l’atterrissage comme appoint au freinage sur les roues ; ce phénomène est appelé inversion du pas.

Pour améliorer le rendement des hélices, on a été amené dans certains cas particuliers à l’envelopper d’un carénage dont le divergent avant forme diffuseur et le convergent arrière tuyère de détente. Pour une puissance mécanique donnée appliquée à l’hélice, la traction est d’autant plus élevée que la section du flux d’air en arrière du carénage est plus grande ; des sections de flux atteignant près de deux fois la surface du disque balayé par l’hélice ont déjà été atteintes dans la pratique. Parmi les applications des hélices carénées figurent l’avion à décollage et à atterrissage verticaux expérimental Bell « XV-22 », qui en comporte quatre, montées aux extrémités de deux ailes en tandem, et l’Aérotrain*, qui, bien qu’étant un véhicule terrestre, est mû par un propulseur d’avion.

Enfin rentrent dans la catégorie des hélices aériennes les éoliennes, qui permettent d’obtenir de l’énergie utilisable à partir du vent. Il s’agit généralement de roues de grand diamètre, de l’ordre de quelques dizaines de mètres, et qui comportent de deux à quatre pales, de forme analogue à celle des pales d’hélices. On trouve aux États-Unis des éoliennes développant des puissances supérieures à 2 500 kW ; leur orientation en fonction de la direction du vent et le réglage de la puissance s’effectuent automatiquement. L’inconvénient principal des éoliennes tient dans l’irrégularité du régime des vents, qui implique la même irrégularité pour la puissance produite.

H. C. et J. L.

➙ Aérodynamique / Avion / Décollage / Propulsion par réaction.