Hélices : les diiférents types.

Helices

En cours de rédaction/illustration


Généralités


- les hélices à calage fixe dite à "pas fixe"
leur calage est fixe de par construction (cas de celles monobloc)

- les hélices à calage variable, improprement appelée "à pas variable"
leur calage est variable en vol et permet d'adapter l'incidence de la pale en faisant varier le calage, donc le pas. Le régime moteur s'en trouve directement affecté et permet de traduire les variations de calage pour une puissance donnée par la pression d'admission.
On trouve plusieurs types d'hélice à calage variable:
o hélice à deux positions, passage du calage petit pas au grand pas par dégonflage d'une vessie.
o hélice à deux positions, changement de calage par moulinet(Ratier). Système de mini hélice auxiliaire. Le différentiel de vitesse de rotation va entraîner un jeu d'engrenage qui va modifier le calage.
o Hélice à pas variable, à commande électrique (Ratier 1606).

- les hélices dites "à vitesses constantes"
le calage est piloté par une régulation centrifuge, et la commande peut être:
- hydraulique en utilisant un circuit haute pression(Gnome&Rhône, Hydromatic de Hamilton Standard)
- ou électrique (Curtiss Electric).
Dans ces deux derniers cas, pour un calage et une puissance donnés, l'incidence sera maintenue constante quelle que soit la vitesse de l'avion. Une variation du calage initial induira un changement de régime. Le pilote agit sur le régulateur qui va modifier le calage initial, pour obtenir un régime moteur.
Ces dernières offrent également la possibilité de mise en drapeau (feathering), "transparence", et de reverse, utile dans le cas des multimoteurs.
Dans le cas de la mise en drapeau, moteur arrêté, les pales s'orientent dans le lit du vent relatif afin de présenter une traînée la plus faible possible. En transparence, le moteur tourne et l'incidence des pales est telle qu'elles ne présentent aucune traînée supplémentaire pour l'avion.

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Hélice à calage fixe
schéma
Hélice à "petit pas"
Cette hélice a une bonne traction aux faibles vitesses de l'avion, mais du fait que l'incidence de finesse des pales sera vite atteinte, la vitesse maximale de l'avion sera peu élevée. Ces hélices sont réservées à des moteurs de faible puissance.

Hélice à "grand pas"
schéma
Le calage important crée une traînée et un frein important aux basses vitesses, le rendement est médiocre tant que l'avion n'aborde pas une vitesse suffisamment élevée pour que l'incidence de finesse max des pales soit atteinte et le rendement optimum.
Ces hélices demandent de la puissance.

Hélices à calage variable ("pas variables")
Elles permettent d'obtenir les avantages de chacune des deux types précédents.
En phase de décollage, l'hélice est au petit pas. Lorsque la vitesse est suffisamment élevée, le régime moteur s'élève du fait de la diminution d'incidence des pales dans le vent relatif et le rendement de l'hélice décroît. Le passage de l'hélice au "grand pas" va redonner de l'incidence et le rendement augmenter, l'avion accélère encore jusqu'au moment où les pales atteindront à nouveau leur incidence de finesse max.

Changement de calage par système pneumatique:
Système qui valut le surnom de "gonfleurs d'hélice" aux pilotes de l'époque.
Une vessie était gonflée, maintenant les pales dans la position "petit pas". L'augmentation du régime moteur au-delà d'une valeur déclenchait le dégonflage de cette vessie et permettait le passage au "grand pas" de l'hélice.

Changement de calage par masselottes contrepoids.
Des masselottes sont fixées au pied de pale. La force centrifuge va provoquer leur écartement de l'axe de rotation hélice, solidaire de la masselotte la pale pivote sur son axe. L'angle de calage change donc en fonction de la vitesse de rotation et de la vitesse de l'avion.
Schéma

Changement de calage par moulinet. (Ratier 1530)
Une hélice miniature (moulinet) est montée "librement" sur l'arbre d'hélice. Elle est entraînée par le vent relatif.
- Avant la mise en route l'hélice est mise au "petit pas" en tournant le moulinet à la main.
- Lors de la phase de décollage le régime de l'hélice dépasse celle du moulinet, il y a un différentiel de vitesse qui maintient l'hélice au petit pas.
- L'avion prend de la vitesse, le vent relatif va augmenter le régime du moulinet, lorsqu'il sera supérieur à celui de l'hélice, il provoque la rotation d'un système d'engrenage et augmente le calage de la pale. Du fait que les pales pivotent vers le grand pas, le régime diminue, accentuant encore le différentiel de régime amenant ainsi les pales jusqu'en butée du grand pas.
- A l'inverse, à basse vitesse de l'avion, lors de la mise plein gaz, le régime de l'hélice sera à nouveau supérieur à celui du moulinet, et le calage des pales sera ramené à sa plus petite valeur.



le moulinet 1 en montage fou sur l'arbre moteur entraîne, via une friction en ferodo, la roue2 , laquelle entraîne à son tour la roue 3 dont l'arbre est taillé en vis sans fin qui entraîne la roue 4 et dont la vis engrène sur la roue 5, dont l'arbre creux est fileté.
le plateau 7 porte 3 goujons filetés 6 qui se vissent dans l'arbre de la roue 5.
A l'arrière du plateau 3 chapes pour porter les bielles 8 dont l'extrémité reçoit le tenon du pied de pale

L'avion moteur arrêté on tourne à la main le moulinet (sens anti horaire en se plaçant face à l'avion), le train d'engrenage se meut et le plateau 6 est repoussé. La bielle 8 manoeuvre le maneton 9 fixé au pied de la pale qui pivote jusqu'en butée au petit calage.
A partir de là la friction permet que le moulinet puisse continuer de tourner sans entraîner la roue 2.

Moteur tournant, l'hélice tourne plus vite que le moulinet qui oppose une résistance à l'air et donc est freiné, l'hélice reste donc au petit pas.

L'avion en vol gagne de la vitesse, à partir d'une vitesse le vent relatif va agir sur l'extrados des pales du moulinet, le forçant cette fois à tourner dans le sens de l'hélice
Lorsque la vitesse du moulinet dépasse celle de l'hélice, la friction met en mouvement la roue 2.
Le train d'engrenage va alors faire déplacer le plateau 7 vers l'avant , et les bielles 8 font pivoter les pales jusqu'en butée du grand pas.

Pour revenir au petit pas, on réduit les gaz et amorce une montée à forte pente pour perdre rapidement de la vitesse. le régime du moulinet diminue, on remet alors rapidement les gaz: la vitesse de l'hélice est supérieure à celle du moulinet, l'engrenage 2 se met en mouvement cette fois ci en sens inverse et l'hélice passe au petit pas.

On notera qu'il suffirait de remplacer le moulinet par un moteur électrique.....et on obtient alors le fonctionnement de la Ratier 1607 (MS 406 fin de série) et Ratier 1606 sur D520 n° série inférieur à 351


Hélices à calage variable électrique. (Ratier 1606)
L'action sur un interrupteur inverseur va mettre en rotation un moteur électrique logé dans le carter du moyeu d'hélice. Ce moteur commande une couronne hélicoïdale engrenée avec les dents taillées dans le pied de pale.
Schéma

Hélice à calage variable pneumatique.
Deux plateaux dentés concentriques entraînent un jeu de pignons satellites. Tant que les deux plateaux tournent à la même vitesse, les satellites reste fixes. Si l'on freine la couronne extérieure les satellites vont se mettre en rotation dans un sens, et inversement si l'on freine la couronne intérieure.
Ces satellites entraîne un ensemble de vis et roues actionnant une biellette reliée à un maneton fixé au pied de pale.
Schéma

Hélice à calage variable hydraulique.
Masselottes et piston hydraulique
Schéma

Hélices à vitesse constante. (Gnome & Rhône, Chauvière, Rotol, Hamilton, Curtiss….)
Un régulateur centrifuge en prise sur le moteur va piloter un circuit d'huile haute pression pour faire varier le calage des pales en fonction de la vitesse propre de l'avion afin de maintenir une incidence des pales constantes, cela se traduit par un régime constant.
Cette huile sous pression va provoquer le déplacement d'un piston entraînant des bielles ou une came agissant sur les pales. Le régulateur peut piloter un moteur électrique agissant sur les pales.
Le régulateur centrifuge est fixé sur le carter moteur et entraîné par engrenage.
Le moteur à l'arrêt, les masselottes du régulateur sont ramenées à la position de repos sous l'effet d'un ressort. Moteur en marche, les masselottes s'écartent proportionnellement au régime de rotation. La position d'équilibre dépend du régime de rotation et de l'effort du ressort. La pression de ce dernier peut être modifiée par la manette de régime actionnée le pilote. Pour une faible pression du ressort sur les masselottes, l'équilibre sera atteint pour un petit régime, inversement pour une pression élevée, il faudra un régime plus important pour atteindre le point d'équilibre.
les masselottes commandent le déplacement d'un tiroir distributeur.
L'arrivée d'huile sous haute pression sera dirigée, selon la position des masselottes vers la face avant ou arrière d'un piston modifiant l'incidence des pales.
Ce piston, dans le cas de la HS Hydromatic, actionne une came rotative dont la base circulaire comporte des dents taillées engrenant avec les pieds de pale.
Hamilton Standard "hydromatic"
- L'avion est arrêté, moteur tournant. Le pilote affiche la puissance par la pression à l'admission, le régime moteur s'élève puis se stabilise lorsque l'équilibre entre l'effort des masselottes et le ressort est atteint.
schéma
- La pression du ressort est augmentée, les masselottes se resserrent, le déplacement du tiroir de distribution d'huile va diriger l'huile vers la face du piston qui va faire pivoter la came dans un sens et faire diminuer le calage des pales. Le frein devenant moins important le régime va s'élever puis se stabiliser lorsque le nouvel équilibre sera atteint.
schéma
- La pression du ressort est diminuée, les masselottes s'écartent, le tiroir va alors diriger l'huile sur l'autre face du piston. La came pivote et provoque une augmentation du calage des pales. Le frein étant alors plus élevé, le régime moteur diminue jusqu'à la stabilisation.
schéma
- en vol, avec l'accélération de l'avion, l'incidence des pales diminue. Le régime moteur aurait tendance à augmenter sans l'action du régulateur qui va faire varier le calage autour d'une valeur et ainsi maintenir une incidence des pales constante quelle que soit la vitesse de l'avion. La valeur du calage de base est modifiée par le pilote lorsqu'il agit sur la pression du ressort du régulateur par le biais de la manette de régime. Il en contrôle l'effet par lecture du tachymètre.
Schéma


fonctionnement en

- En poussée: c'est le cas normal de fonctionnement d'une hélice. L'incidence des pales permet de développer un rendement optimal pour créer une poussée.

- En transparence: l'incidence est telle que le frein tend à être nul et n'oppose aucune résistance au couple moteur

- en moulinet: l'incidence est négative et le vent relatif entraîne l'hélice. Il y a un effet de frein.

- en reverse: le calage est négatif, la puissance peut être élevée, la poussée s'inverse, ce cas est réservé aux basses vitesses l'avion au roulage, pour raccourcir la distance de freinage.

- la mise en drapeau: les pales de l'hélice du moteur en panne seront orientées dans le lit du vent relatif afin de présenter une traînée minimum, pour ne pas davantage pénaliser le ou les moteurs encore valides.