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Lycée Pierre Mendès France Avenue Yitzhak Rabin BP 17 13741 VITROLLES CEDEX

LICENCE: A1 CAP - MSA MODULE: 17

HELICE

Sous module: 17.1 Titre: Principes essentiels Niveau : 1 REDACTEUR

RELECTEUR

HANIQUE

SANTACRUZ

RESPONSABLE QUALITÉ LACROIX

CHARGE DE COURS SANTACRUZ

AGREMENT AESA PART 147 N° :FR.147.0028 DATE : Mai 2006

EDITION : 1

LISTE EFFECTIVE DES PAGES Page PG PV/0 SO/1 GB/2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

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Lycée Pierre MENDES FRANCE

Livret : 17-1 CAP-MSA Page : 0

Edition : 1 Date : Mai 06

SOMMAIRE 1 THEORIE DE L’ELEMENT DE PALE ........................................................................................ 3 1-1 NOTION FONDAMENTALE ................................................................................................ 3 1-1.1 RAPPEL........................................................................................................................ 3 1-1.2 BUT : ........................................................................................................................... 3 1-2 DESCRIPTION :................................................................................................................. 4 1-3 DEFINITIONS :.................................................................................................................. 5 1-3.1 HELICE GEOMETRIQUE : .............................................................................................. 5 1-3.2 HELICE AERIENNE ....................................................................................................... 6 1-4 DESCRIPTION CINEMATIQUE ............................................................................................ 7 1-5 DEFINITION DU RECUL ..................................................................................................... 8 2 FONCTIONNEMENT AERODYNAMIQUE ................................................................................. 9 2-1 FONCTIONNEMENT DE HELICE A PAS VARIABLE:............................................................ 12 3 COUPLES ........................................................................................................................... 14 3-1 COUPLES MOTEUR ET RESISTANT................................................................................... 14 4 DIFFERENTS EFFORTS SUR LES HELICES ............................................................................. 15 4-1 EFFORT DE FLEXION : .................................................................................................... 15 4-2 EFFORTS DE TENSION ET DE TORSION CENTRIFUGES ...................................................... 16 4-3 EFFET DU COUPLE GYROSCOPIQUE CREE PAR LA ROTATION DE L’HELICE ...................... 17 4-3.1 DEFINITION ............................................................................................................... 17 4-3.2 INFLUENCE SUR LA TRAJECTOIRE DE L'AVION ............................................................ 17 4-4 LE SOUFFLE HELICOÏDAL DE L’HELICE :......................................................................... 17 5 VIBRATIONS ET RESONANCE .............................................................................................. 18 5-1 VIBRATIONS « NORMALES ».......................................................................................... 18 5-2 VIBRATIONS « ANORMALES »........................................................................................ 18 5-2.1 LE « TRACK » (OU TRACKING) → SILLAGE DES PALES ............................................... 18 5-2.2 LE BALOURD, PROVOQUE PAR UNE MAUVAISE DISTRIBUTION DES MASSES / AXE DE ROTATION .................................................................................................................................. 18 5-2.3 LA RESONANCE (AU SOL)........................................................................................... 19





GLOSSAIRE : NEANT

BIBLIOGRAPHIE : ENAC MERMOZ CEPADUES DOCAVIA ARMEE DE L’AIR CEV ISTRES AIR FRANCE AIR INTER U.T.A.

SNECMA TURBOMECA MICROTURBO C.F.M.I. ROLLS ROYCE PRATT ET WHITNEY M.T.U. GENERAL ELECTRIC LYCOMING ALLISON

AVIATION MAGAZINE AIR ET COSMOS AVIATION DESIGN FLIGHT INTERNATIONAL SCIENCE ET VIE





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THEORIE DE L’ELEMENT DE PALE

1-1 NOTION FONDAMENTALE

1-1.1 RAPPEL Il apparaît dans ce dessin la nécessité d’une force de traction, cette force devant être produite par la source d’énergie dont dispose l’avion à savoir le groupe motopropulseur comprenant l’hélice et le moteur

1-1.2 BUT : Transformer l’énergie mécanique d’un moteur thermique tractrice. Régulateur Cde de pas hélice hélice Et réducteur

Energie mécanique sous forme de torsion

TRANSFORMER LA ROTATION DUE AU MOTEUR EN FORCE DE POUSSEE OU DE TRACTION

en énergie propulsive ou

Info au tableau de bord

Energie propulsive ou tractrice

SYSTEME HELICE

Les principaux moteurs thermiques utilisés sont les moteurs à pistons et les turbomachines. Ce document ne sera pas remis à jour et ne doit en aucun cas servir de document de travail sur aéronef et ne peut être reproduit sans autorisation




1-2 DESCRIPTION : Elle est constituée d’un moyeu assurant sa liaison rigide avec l’axe moteur recevant à sa périphérie des pales. Chaque pale est une succession de profils aérodynamiques dont l’épaisseur diminue du centre vers l’extrémité. Les pales sont cependant « gauchies » ou « vrillées » de façon que chaque point de leur surface attaque l’air sous le meilleur angle possible.

Principales caractéristiques Une hélice est déterminée par les quatre caractéristiques suivantes 1) Le diamètre qui est en réalité celui de la circonférence décrite par l’extrémité des pales. 2) Le pas qui est l’avance théorique obtenue en un tour d’hélice. 3) Le pas relatif qui est le rapport

Pas et qui varie en général de 0,5 à 1,1 Diamètre

4) Le nombre de pales : il y a des hélices à 2, 3, 4, 5, 6 et 8 pales.





1-3 DEFINITIONS : 1-3.1 HELICE GEOMETRIQUE : Pas géométrique : en développant le cylindre on montre que le point en un tour à avancé d’une longeur H appelée : pas géométrique.

Valeur du pas géométrique :

H = 2π .R.t g .ω





1-3.2 HELICE AERIENNE

g

Axe de l’hélice : axe de rotation de l’hélice.

g

Axe de pale : axe autour duquel la pale tourne pour un changement de calage.

g

Centre de l’hélice : point d’intersection de l’axe de l’hélice et de l’axe de pale.

g

Plan de l’hélice : plan engendré par la rotation des axes de chacune des pales.

g

Section de pale : la section de pale obtenue par un plan perpendiculaire à l’axe de pale et coupant la pale à une distance r de l’axe de l’hélice.

g

Section de référence :située à 0,7 fois le rayon de la pale en partant de l’axe de l’hélice.

g

Hélice à pas fixe : si, H pas géométrique est constant

g

Hélice à pas variable : si H pas géométrique varie

g

Hélice à calage réglable : si le calage ω peut être modifier au sol.

Nota : modifier ω revient à modifier H puisque H = 2π .R.t g .ω . A défaut une hélice à calage variable est souvent appelée hélice à pas variable. Le pas d’une hélice tout le long de la pale pouvant être variable, il est nécessaire de définir une section de référence par convention. Cette section est fixée à 0,70R (R étant le rayon de l’hélice). Ce document ne sera pas remis à jour et ne doit en aucun cas servir de document de travail sur aéronef et ne peut être reproduit sans autorisation




1-4 DESCRIPTION CINEMATIQUE

Le point A est soumis à un mouvement : -

de rotation autour de l’axe de l’hélice, d’où une vitesse tangentielle V t. de translation parallèle à l’axe de l’hélice, d’où une vitesse d’avancement Va (ou Vitesse avion). résultant suivant le vecteur Vitesse U.

Il en résulte les angles suivants : - ω angle de calage. - β angle d’avancement. - α angle d’incidence.

α =ω−β





1-5 DEFINITION DU RECUL

Le recul est la différence entre : -

le pas géométrique le pas réel.

H’ est bien le pas réel ou l’avance par tour d’hélice, en effet : H’ = 2π .R.t g .β avec t g .β =

Va Va V donc H ' = 2π .R. = a avec N en t/s et Va en 2π .R.N 2π .R.N N

m/s

H’ s’exprime en mètre par tour.





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FONCTIONNEMENT AERODYNAMIQUE

Le fonctionnement de l’hélice dépend de son angle d’incidence. L’angle d’incidence dépend de : - la vitesse de rotation de l’hélice - l’angle de calage - la vitesse de l’avion Pour bien comprendre son fonctionnement supposons que la vitesse de rotation et l’angle de calage soient fixes

g Hélice tractive La vitesse avion est relativement faible. Ft : force de traction Fr : traînée La traînée produit un couple résistant contrée par la puissance du moteur. C’est le fonctionnement normal de l’hélice.

g Hélice en transparence

La vitesse de l’avion augmente, l’incidence diminue, la résultante se trouve dans le plan de rotation. La traction est nulle.





g Hélice en frein

Si la vitesse augmente encore, l’incidence devient négative. Ft change de sens et est dirigée vers l’arrière et freine l’avion.

g Hélice en moulinet

Si la vitesse augmente encore, l’incidence devient de plus en plus négative. Fr change à son tous de sens. Si on coupe le moteur l’hélice va continuer à tourner, entraînée par l’air.





Deux modes de fonctionnent particulier sont obtenus avec des calages spéciaux des pales et ne peut être obtenus qu’avec une hélice à calage variable g Hélice en inversion de poussée

On obtient une incidence négative en adoptant un calage négatif des pales. L’hélice fournit une traction Ft négative et freine l’avion. Ce fonctionnement est aussi appelé reverse.

g Hélice en drapeau La position en drapeau est obtenue en mettant les pales de l’hélice parallèles à l’écoulement de l’air. L’angle de calage est de 90°. L’incidence est nulle. L’hélice ne tourne pas et sa traînée est minimale.

Ce mode de fonctionnement est indispensable aux avions bimoteurs. En cas de panne d’un des moteurs la mise en drapeau de l’hélice de celui-ci diminuera la traînée (surtout en phase critique de décollage) et préservera le moteur d’une aggravation de sa défaillance





2-1 FONCTIONNEMENT DE HELICE A PAS VARIABLE:

La variation de l'angle de calage est commandée électriquement ou mécaniquement. Exemple : Nul = 1° Petit pas = 10°Grand pas = 40° Drapeau = 90° Reverse = -10° Ce document ne sera pas remis à jour et ne doit en aucun cas servir de document de travail sur aéronef et ne peut être reproduit sans autorisation




Principe de fonctionnement :

NOMBRE DE TOUR AFFICHE PAR LE PILOTE ACTION SUR LA MANETTE HELICE

L’ACTION SUR LE REGULATEUR HELICE DETERMINERA UN CALAGE DE L’HELICE MODIFICATION DU NOMBRE DE TOUR MOTEUR





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COUPLES

3-1 COUPLES MOTEUR ET RESISTANT Soit T résultante des forces élémentaires de traction et Tt résultante des forces élémentaires de traînée opposées à la rotation.

Pour que l’hélice soit en fonctionnement stable, c'est-à-dire que sa vitesse de rotation, donc celle du moteur, soit constante, il faut que l’effort de traînée £Tt équilibre l’effort moteur ; d’une façon plus générale, il faut que le couple résistant Cr soit égal et opposé au couple moteur Cm.

Cr = Cm

En régime stabilisé, le couple moteur .Cm est équilibré par le couple résistant Cr, ce qui revient à dire que la puissance fournie par le moteur est égale à la puissance absorbée par l’hélice.





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DIFFERENTS EFFORTS SUR LES HELICES

4-1 EFFORT DE FLEXION : 4.1. Efforts de flexion

T1 résultante des tractions élémentaires sur Tt1 résultante des forces élémentaires qui une pale. s’opposent à la rotation de l’hélice. T2 résultante des tractions élémentaires sur Tt2 résultante des forces élémentaires sur l’autre pale l’autre pale. T Traction totale de l’hélice

Cr = Tt1 x L g Flexion due à la traction résultante sur chaque pale ; Les résultantes des tractions élémentaires T1 et T2 tendent à faire fléchir les extrémités des pales vers l'avant. g Flexion due aux résultantes des résistances qui s'opposent à la rotation de l’hélice. Les résultantes Tt1 et Tt2 tendent à faire fléchir les pales dans le plan de rotation de l'hélice et dans le sens du couple résistant de l'hélice Cr. Ce document ne sera pas remis à jour et ne doit en aucun cas servir de document de travail sur aéronef et ne peut être reproduit sans autorisation




4-2 EFFORTS DE TENSION ET DE TORSION CENTRIFUGES

g Deux forces de tension Ftel et Fte2 qui travaillent à l'arrachement des pales du moyeu. Elles sont parallèles à l'axe de la pale. g Deux forces de torsion perpendiculaires à l'axe de la pale et travaillant à la torsion de la pale, dans le sens de la diminution du pas : Fto1et Fto2. Elles forment un couple appelé couple de torsion centrifuge Ce couple est très important. Il est, employé sur les hélices à pas variables pour commander la diminution de pas. (Hélice hydraulique Hamilton, Mac Cauley, Hartzell…)

Ce couple de torsion centrifuge est la principale raison de la tendance des pales à tourner vers le calage nul. On démontre qu’il est nul quand l’angle de calage = 0





4-3 EFFET DU COUPLE GYROSCOPIQUE CREE PAR LA ROTATION DE L’HELICE 4-3.1 DEFINITION On appelle plan gyroscopique d'un corps tournant le plan passant par le centre de gravité du corps et perpendiculaire à l'axe de rotation. C'est donc le plan de rotation de l'hélice.

4-3.2 INFLUENCE SUR LA TRAJECTOIRE DE L'AVION Supposons un avion, dont le plan gyroscopique de l'hélice soit A, qui tourne dans le sens de la flèche. Si nous lui faisons amorcer un virage à droite, le couple gyroscopique aura tendance à le faire cabrer.

Le couple gyroscopique de l’hélice se fait sentir chaque fois que l’avion modifie sa trajectoire.

4-4 LE SOUFFLE HELICOÏDAL DE L’HELICE : La masse d’air refoulée par l’hélice vers l’arrière tourne dans le même sens. Il résulte de ce souffle : Une dissymétrie de l’écoulement de l’air sur les surfaces aérodynamiques verticales entraînant une rotation autour de l’axe de roulis et de lacet. Cet inconvénient sera réduit en vol de croisière par un déport de la dérive par rapport à l’axe de roulis en décalant l’axe du moteur. Une traînée plus importante sur la surface du fuselage que sur les autres surfaces.





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VIBRATIONS ET RESONANCE

Plusieurs sources de vibrations peuvent perturber le fonctionnement de l’hélice ; ces sources sont :

g massiques : déséquilibre entre les différentes pales qui peut être dû aux réparations successives ou à l’humidité g géométriques : jeux, déformations, cumul de tolérances dimensionnelles… g dynamiques : écarts de sillage des pales entre elles, mauvais calage (différences de traction et de traînée).

5-1 VIBRATIONS « NORMALES » Ce sont les vibrations naturelles, inhérentes aux différents mouvements des éléments nécessaires au fonctionnement d’un avion, contre lesquelles on ne peut rien (si ce n'est les contenir dans un domaine de tolérance aussi petit que possible).

5-2 VIBRATIONS « ANORMALES » Les principaux effets sont : le "track", le balourd et la possibilité de résonance au sol.

5-2.1 LE « TRACK » (OU TRACKING) → SILLAGE DES PALES Ce sont des vibrations axiales, perpendiculaires au plan de rotation ; les pales ne sont pas dans le même plan. Les causes peuvent être variées : les plus courantes sont un mauvais réglage de l’hélice ou la déformation du profil d’une ou plusieurs pales.

5-2.2 LE BALOURD, PROVOQUE PAR UNE MAUVAISE DISTRIBUTION DES MASSES / AXE DE ROTATION Ces vibrations, également sur l’hélice, sont radiales. Les principales causes sont la différence de poids des pales ; la position non identique du centre de gravité. Elles se manifestent dans le plan de l’hélice. Elles peuvent généralement s’éliminer par ajout ou retrait de contrepoids convenablement disposés.





5-2.3 LA RESONANCE (AU SOL) Ce phénomène peut apparaître sur un avion, lorsqu’il y a couplage des vibrations de l’ensemble du groupe turbopropulseur (moteur + hélice) et des oscillations du train d’atterrissage. Des jeux exagérés sur les fûts de train, des pneus et amortisseurs de train irrégulièrement (ou trop) gonflés peuvent être à la source de la résonance au sol.

Les amortisseurs de train ont donc pour rôle :

g d’absorber l’énergie d’impact à l’atterrissage et au roulage g d’interposer entre la structure de l’appareil et la jambe « souple » de l’atterrisseur, de résorber l’énergie vibratoire et d’éviter ainsi toutes divergences des oscillations.





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