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Société HELICES E-PROPS
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de 9h à 12h et de 14h à 16h
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E-PROPS : Conception - Logiciel LmPTR© - Essais - Inertie Hélice


Le bureau d'études E-PROPS est composé de 10 ingénieurs et techniciens aéronautiques à ce jour.
Ils réalisent les calculs théoriques, la modélisation, la mise au point des prototypes, puis les expérimentations au banc au sol et en vol. Ils ont une grande expérience, reconnue par leurs pairs, et sont sollicités régulièrement pour intervenir lors de conférences et colloques spécialisés.

Voici quelques informations sur les travaux du bureau d'études E-PROPS :

1 - Conception / Design hélices
2 - Méthode d'optimisation d'hélices aéronautiques
3 - Logiciel E-PROPS LmPTR©
4 - Hélices de 3ème génération
5 - E-PROPS : essais au sol
6 - Propulsion : un peu de théorie
7 - Hélice et Moment d'Inertie

1 - Conception / Design hélices


Le bureau d'études E-PROPS élabore les spécifications et le cahier des charges de chaque hélice en prenant en compte :
- les caractéristiques du moteur thermique ou électrique (puissance, couple, régimes)
- l'appareil qui va être équipé avec ce groupe motopropulseur optimisé : configuration tractive ou propulsive, caractéristiques aérodynamiques, interactions ailes / fuselage...
- les performances souhaitées de l'appareil
- les conditions d'utilisation de l'appareil et de son groupe motopropulseur

Les hélices E-PROPS sont étudiées pour être les plus légères possibles, très solides, permettant d'obtenir un excellent rendement et en tentant de générer peu de nuisances sonores.

L'équipe utilise des logiciels de CAO performants, et a développé un programme d'optimisation des hélices itératif : le logiciel LmPTR© .

eprops lmptr

2 - Méthode d'optimisation d'hélices aéronautiques

Optimiser une hélice pour un moteur donné sur un appareil existant est un problème complexe car :
- la cellule et le moteur étant fixés, la vitesse de vol, le régime de rotation et la puissance sont imposés;
- le diamètre est souvent restreint par la géométrie de l’appareil. Et si par chance il ne l’est pas, c’est la vitesse périphérique et les problèmes supersoniques qui vont limiter le diamètre.

Le diamètre et la puissance du moteur fixent le rendement propulsif, c'est-à-dire la limite supérieure absolue du rendement possible de l’hélice. Ensuite, c'est au concepteur de l'hélice de se rapprocher de ce rendement.
Comme paramètres d’optimisation, il reste donc :
- le nombre de pales
- la répartition de traction sur l’envergure de la pale
- la répartition de corde
- la répartition de pas
- l’évolution de profils

Augmenter le nombre de pales permet de réduire la portance de chaque pale, et donc de réduire la traînée induite de chaque pale. Mais à corde constante, cela augmente la traînée de frottement. Et si l’on réduit la corde, la chute des Reynolds dégrade l’aérodynamique des profils, sans compter les problèmes de tenue mécanique.

La recherche d’une répartition de traction optimum doit prendre en compte les effets de celle-ci sur la traînée induite des pales. En effet, le saumon ne peut pas générer une forte portance sans causer une énorme traînée induite.

L’optimisation en corde cherche à ce que chaque profil travaille à finesse maximum, sans négliger les effets de la variation des Reynolds, et en vérifiant l’adaptation des profils à leurs conditions de fonctionnement en CZ, en Reynolds et en Mach.

La répartition de pas sert de variable d’ajustement pour maintenir chaque profil à son coefficient de portance optimum en vue d’obtenir la répartition de traction choisie avec une répartition de corde et de profil optimisée.

eprops lmptr

De par sa complexité, la conception d’une hélice est un procédé itératif : chaque modification influe sur les autres paramètres.

3 - Logiciel E-PROPS LmPTR©


Le traitement numérique et la finesse de la modélisation LmPTR© développée par Jérémie Buiatti, concepteur des hélices E-PROPS, permettent un processus de conception efficace, capable d’obtenir l’hélice optimum pour chaque configuration.

En effet, ce logiciel analyse en détail les écoulements aérodynamiques et le comportement mécanique de l'hélice.
Ce programme comporte à ce jour plus de 100.000 lignes de code en langage avancé.

Sa mise au point a nécessité plus de cinq ans de travail. Il s'enrichit constamment de nouvelles données grâce aux essais au sol et en vol des hélices E-Props. Des essais ont été également menés en soufflerie, lors de développements d'E-Props carbone spécifiques pour drones. Ces essais sont pour l'instant confidentiels et ne peuvent pas faire l'objet de communications. Ils ont permis de vérifier de nombreuses hypothèses et d'affiner les paramètres.

Le logiciel LmPTR© est un atout incomparable pour E-PROPS; il permet en effet de concevoir rapidement des hélices sur-mesure parfaitement adaptées à la cellule et au moteur considérés.

Les données de géométrie d'hélice sont ensuite transmises aux différents centres d'usinage à commande numérique, qui fabriquent les moules et les outillages qui permettront de sortir les pales et les moyeux en carbone.

Ce logiciel permet à l'équipe d'imaginer et de modéliser de nouveaux concepts d'hélices, en utilisant des géométries très particulières et des profils développés en interne.

C'est pourquoi les Hélices E-PROPS sont très différentes des autres hélices proposées actuellement sur le marché.
Sur certains modèles, on compte pas moins de 11 innovations par rapport aux hélices traditionnelles.
Certaines de ces innovations ont été brevetées.

eprops lmptr

Les performances obtenues sont exceptionnelles : certains modèles d'hélices E-PROPS à pas réglable au sol sont plus performants que des hélices concurrentes à pas variable en vol.

Le logiciel LmPTR© à ce jour, c'est :
- 10.800 heures de bureau d'études
- 100.000 lignes de code en langage avancé
- données d'essais de 327 protoypes
- enrichi par les résultats de 73 campagnes d'essais, au sol (sur bancs instrumentés et en souffleries) et en vol

eprops logiciel RPM

LmPTR© : un outil exceptionnel pour concevoir des hélices très hautes performances


4 - Hélices de 3ème génération


Depuis les débuts de l'aviation, les hélices n'ont pas cessé d'évoluer.
En aviation légère, on distingue trois périodes principales :

1ère génération

La 1ère génération d'hélices pour l'aviation légère, c'étaient les hélices en bois ou en métal, sorties dans les années 1940 - 1950, adaptées plus ou moins bien aux moteurs en prise directe de leur époque (Continental, Lycoming, Volkswagen...). Hélices à pas fixe, le plus souvent certifiées. Pour avoir un rendement un peu meilleur, la seule solution était à l'époque d'utiliser quelques rares hélices à pas variable, lourdes et chères.

propellers generation 1

2ème génération

Dans les années 1980 - 1990, l'émergence du mouvement ULM a permis de sortir du principe de certification dans de nombreux pays. On a vu arriver sur le marché des hélices en matériaux composites, plus légères, prévues pour les moteurs réductés, et surtout à pas réglable au sol, ce qui permettait d'adapter l'hélice au moteur considéré. Le principe du pas réglable au sol a été une avancée considérable pour l'aviation de loisir.

propellers generation 2

3ème génération

Les années 2000 - 2010 voient apparaître la 3ème génération d'hélices. Grâce aux performances mécaniques du carbone, de nouveaux designs aérodynamiques deviennent possibles : profils creux, cordes étroites, très grands diamètres, positionnement inédit des pales... Les études par modélisation numérique permettent d'optimiser les performances de l'hélice sur toute la plage de vitesse de l'aéronef. On obtient ainsi des hélices comme les E-PROPS, à pas réglable au sol (fixe pendant le vol) ayant une traction optimisée, avec des performances proches de celles d'hélices à pas variable en vol. On n'a plus à choisir entre les performances au décollage et celles en croisière.
Les gains de performances sont importants. Ces hélices dites "de 3ème génération" (comme les E-PROPS) remplacent peu à peu toutes les hélices d'ancienne génération, ce qui permet d'accroître les performances et la sécurité.

propellers generation 3 eprops


Les constantes avancées des technologies, des outils de conception et de tests laissent envisager dans les prochaines années de nouveaux progrès sur cet équipement essentiel de l'aéronef qu'est l'hélice.


5 - E-PROPS : essais au sol


Tous les modèles d'hélices E-PROPS sont soumis à de nombreux essais pour s'assurer de leurs performances, de leur tenue mécanique en fonctionnement et de leur adéquation aux moteurs pour lesquels ils sont conçus. En effet, pour chaque nouveau modèle, il est nécessaire de confronter les calculs et la réalité physique.
Des essais ont également été menés en soufflerie, lors de développements d'E-PROPS spécifiques pour les drones. Ces essais sont confidentiels et ne peuvent pas faire l'objet de communications. Ils ont permis de vérifier de nombreuses hypothèses et d'enrichir le logiciel LmPTR©.

Voici par exemple quelques rapports d'essais :

Essais mécaniques E-PROPS gamme V20
Des pièces carbone aussi solides que l'arbre du réducteur Rotax !


- Essais de force centrifuge d'un ensemble moyeu carbone et pale carbone
Résultats : coefficient de sécurité = 7,2. L'hélice supporte 6 fois la force centrifuge max pendant 1 heure (la norme EASA CS-P exige 2 fois seulement pour les hélices certifiées)
=> Rapport : essais de force centrifuge VORPALINE (en PDF)

- Essais pales-moyeu en fatigue
Sollicitation de l'hélice en carbone par flexion alternée, pour reproduire le couple moteur et démontrer un potentiel réel de l'ensemble moyeu - pale.
Potentiel de 2.000 heures validé par essais
Démontage à 2.016 heures, soit plus de 360 millions de cycles : le pied de pale et le moyeu présentent une usure normale. Rien à signaler.
Ces résultats d'essais confortent les calculs et modélisations du bureau d'études par une vérification en vraie grandeur à 10 fois un cas pire de fonctionnement.
=> Vidéo essais flexion (chaîne Youtube E-PROPS)

- Essais de force centrifuge d'une hélice PLUG'n'FLY
Résultats : coefficient de sécurité = 4,6. L'hélice supporte 4 fois la force centrifuge max pendant 1 heure (la norme EASA CS-P exige 2 fois seulement pour les hélices certifiées).
=> Rapport : essais de force centrifuge PLUG (en PDF)


Les hélices E-PROPS sont certifiées selon la norme ASTM F2506-13. Tous les modèles E-PROPS ont fait l'objet de tests approfondis pour répondre à cette norme.
=> Voir page Qualité

eprops essais
- Banc d'essais instrumenté hélices pour tests en fonctionnement, avec système de mesure de traction. Un moteur électrique permet de faire des essais comparatifs de bruit d'hélices.
- Banc d'essais en fatigue. Ce banc permet de solliciter l'hélice en carbone par flexion alternée, pour reproduire le couple moteur et ainsi démontrer un potentiel vérifié de l'ensemble moyeu - pale.
- Banc d'essais de traction mécanique : vérin hydraulique 40 tonnes pour les essais de traction et de compression des pales et des moyeux. Ensemble instrumenté pour enregistrement des données.


6 - Propulsion : un peu de théorie


Pour comprendre le fonctionnement d’une hélice, il est plus simple de partir de l’écoulement global en lui appliquant les lois issues de la physique expérimentale, afin d'essayer de ne pas masquer un phénomène simple derrière plusieurs équations trigonométriques.

Tout d'abord, la troisième loi de Newton (ou principe des actions réciproques) indique que :
"Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B".
Cette loi se résume par le principe : " Action = Réaction".
Ceci signifie que si l’on souhaite que notre hélice "A" profite d’une force vers l’avant, il va falloir qu’en retour elle applique sur "B" une force vers l’arrière. Dans le cas de la propulsion aérienne, il n’y a qu’un "B" possible : c'est l’air traversant le disque balayé par les pales.

Il s’agit en fait non d’une masse proprement dite, mais d’un débit massique, produit de la surface du disque d’hélice, de la vitesse et du flux et de la masse volumique.

Pour appliquer une force sur le débit massique d’air, les pales se comportent comme des ailes. Leur profil aérodynamique leur permet d’appliquer des efforts de portance sur le flux d’air. L’hélice applique donc une force sur un flux d’air, ce qui a pour conséquent de modifier la vitesse du flux d’air.

La différence de vitesse entre l’amont de l’hélice et l’aval se calcule ainsi :
Différence Vitesse (amont/aval) = Traction / Débit Massique
DV = T / dm
Équation issue de la 2ème Loi de Newton F = d(m.v)/dt

Cette variation de vitesse induite par la traction s’applique pour moitié en amont de l’hélice et pour moitié en aval (comme le démontre la relation de Froude).
eprops MOI helice

Le débit massique du flux d’air dans lequel travaille l’hélice est donc : Dm = mvo x Sdisque x (Vvol + DV/2)
Où :
- mvo = masse volumique du fluide (kg/m^3)
- Sdisque = surface du disque balayer par l’hélice (m²)
- Vvol = vitesse de vol
On a donc un système d’équation permettant de calculer la différence entre la vitesse en amont de l’hélice et la vitesse en aval, ainsi que le débit massique. Si l’on fait quelques calculs de puissance autour du fonctionnement de notre hélice, on obtient :
- La puissance utile fournie par l’hélice à l’avion : Pu = Traction x Vvol
- La puissance absorbée par le phénomène propulsif : Pa = Traction x (Vvol + DV/2)

Ce qui donne le rendement propulsif : rp = Pu / Pa

=> Le rendement propulsif fixe une limite absolue vers laquelle toute conception d’hélice devrait tendre


Comme le rendement propulsif fixe la limite supérieure de rendement d’une hélice, le choix d'une hélice de petit diamètre par le concepteur d’un aéronef aboutira à de piètres performances. Ceci est d'autant plus vrai que la vitesse de vol sera faible.

Si le nombre de pales peut permettre de réduire la perte de performance (nous verrons comment un peu plus loin), cela ne permet en aucun cas de retrouver les performances d’un diamètre adapté.

Si le concepteur d’hélices ne peut pas outrepasser les pertes liées au phénomène propulsif, il doit cependant ne pas les dégrader par une mauvaise répartition de la traction sur le disque d’hélice. Et doit donc choisir une répartition de pas, de corde et de profil permettant une répartition de charge optimum.

Malheureusement, il existe d’autres sources de perte énergétique : les pertes liées à la traînée des pales.
En effet, les pales se comportent comme des ailes et génèrent portance et traînée. Cette traînée se décompose en deux parties : la traînée de frottement et la traînée induite par la portance.

A/ La traînée de frottement sur les profils de la pale

Elle est définie ainsi :
Traînée = 0.5 x mvo x S x CX x V²

Le cas de la pale est plus complexe que celui de l’aile, car la vitesse est variable :
- au pied de pale :
Vitesse faible et corde petite donnent un nombre de Reynolds ridicule dégradant beaucoup les caractéristiques du profil (CX important et CZ max faible).
- en bout de pale :
Vitesse très grande et corde très petite, le nombre de Reynolds reste petit.
Mais la vitesse étant proche de celle du son, le nombre de Mach est important.
Le Mach important dégrade les caractéristiques du profil. Un petit défaut de courbure, d’incidence, et une zone d’écoulement risque de passer supersonique, générant du bruit et dégradant les performances.

B/ La traînée induite par la portance

L'aile a une envergure finie, et par conséquent la portance s’accompagne de traînée induite.
La modélisation de cette traînée induite est délicate, car, contrairement au cas de l’aile, la vitesse est variable le long de la pale.

Pour ce point précis, les chercheurs d'E-PROPS n'ont pas trouvé pas de méthode satisfaisante dans les publications spécialisées ni auprès de laboratoires. L’équipe a donc développé une méthode de calcul originale et efficace, mais un peu gourmande en calcul. Les calculs itératifs de définition des effets induits pour les pales représentent 90% du temps de calcul nécessaire à la modélisation complète de l’écoulement.


Nous avons vu ici en quelques mots quelles étaient les causes de perte énergétique de la propulsion par hélice, sans toutefois entrer dans les détails trigonométriques de la chose : ces détails ne représentent un réel intérêt que pour l’hélicier.

eprops LmPTR


7 - Hélice et Moment d'Inertie


L’inertie d’un objet est sa faculté de résister à une variation de vitesse. L’inertie est directement liée à la masse de l’objet, et se mesure en kg.

Pour des objets en rotation, la masse n’est pas une donnée suffisante. On a associé la masse de l’objet à sa distance par rapport à l’axe de rotation afin de pouvoir comparer la capacité de résistance à une variation de vitesse angulaire. Il s’agit du moment d’inertie, qui se mesure en kg.cm²

Le moment d'inertie est une donnée très importante pour les hélices.

eprops MOI helice

En effet, les moteurs aéronautiques sont le plus souvent des moteurs à pistons. Le vilebrequin subit une poussée de la bielle à chaque tour en 2 temps, et tous les deux tours en 4 temps. Le vilebrequin est accéléré pendant un demi-tour, et est freiné pendant le reste du cycle. C’est l’inertie de tout l’ensemble rotatif qui va permettre d'assurer la remontée des pistons et la régularisation de la rotation.

L’hélice constitue le plus gros volant d’inertie. Si elle est entraînée par un réducteur (pour les moteurs réductés), les pointes de couple moteur seront encaissées par le réducteur. Si elle est reliée directement sur le vilebrequin (pour les moteurs en prise directe), celui-ci subira tous les efforts. Les efforts se transmettent en outre à travers tout le système : les vilebrequins des moteurs réductés peuvent également souffrir si le moment d'inertie de l'hélice est trop élevé (voir paragraphe 8). Et les vis de fixation de l’hélice sont soumises aux mêmes efforts.

L'utilisation d'une hélice possédant un moment d'inertie supérieur aux valeurs indiquées par le motoriste va entraîner une diminution de la longévité, voire même une rupture des éléments du réducteur, du vilebrequin ou des vis de fixation de l'hélice.

C'est pourquoi les motoristes indiquent les valeurs maximales de moment d'inertie des hélices qui peuvent être montées sur leurs moteurs.

A noter : en cas de problèmes liés à l'utilisation d'une hélice inadaptée, au moment d'inertie trop élevé, les motoristes refusent toute garantie.

Il est à noter que les motoristes sérieux n'indiquent pas de valeurs minimales pour les moments d'inertie : cela indique qu'il n'y a aucun problème à monter une hélice très légère sur les moteurs aéronautiques, bien au contraire.

Même une hélice très légère va générer un volant d'inertie très suffisant. Par exemple, le moment d'inertie du modèle d'hélice E-Props pour moteur Jabiru 2200 (70 cv) est de 1.500 kg/cm². Cela représente le moment d'inertie d'un disque d'acier de 14 kg de diamètre 300 mm par 25 mm d'épaisseur.

Les moments d'inertie des hélices E-Props sont calculés lors de la conception à l'aide du logiciel LmPTR©. Ils sont en outre vérifiés par mesure pour chacun des modèles d'hélices.

Il convient de connaître le moment d'inertie de son hélice et de bien vérifier qu'il respecte les limitations du motoriste.

MESURE DU MOMENT D'INERTIE DE L'HELICE

Le principe consiste à mesurer la période d’un pendule à axe horizontal, avec un rappel constitué par le poids de l’hélice.

Le motoriste ROTAX a édité une notice permettant de mesurer le moment d'inertie des hélices =>
Document Technique ROTAX ref SI11UL91E : Mesure du Moment d'Inertie Hélice

eprops MOI helice

Il convient en premier lieu d'effectuer une pesée précise de l'hélice. Ensuite on la suspend au système mis en place, puis on la laisse se stabiliser. Puis on l'écarte de 20° de l'axe et on la lâche. On chronomètre le temps mis par l’hélice pour effectuer 30 oscillations complètes.
On reporte le poids de l'hélice en abscisse sur le graphique et on observe l’intersection de la droite horizontale issue de ce point avec l’oblique correspondant à la période la plus proche de celle mesurée. De ce point, on abaisse une verticale sur l’axe des ordonnées pour obtenir le moment d’inertie.

Grâce à leur grande légèreté, les hélices E-Props respectent largement les limitations de moment d'inertie préconisées par chaque motoriste.




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