Les Hélices des Constellations
Deux types d'hélices, tout du moins pour Air France, ont été montés sur les Constellation :
- Hamilton Standard Hydromatic 6801-A-0 sur les L.049, 43E60-305 sur L.1049C ou 43H60-305 avec pales Dural ou 43H60-311 avec pales Nickelées sur les L.1049G
- Curtiss Wright électrique C632S-A12 avec pales 850-4C2-1 sur les L.749 et C634-SC602 avec pales 850 2-C20 sur les L.1649
On peut se poser la question : Pourquoi les L.049 et les L.1049, étaient-ils équipés d'hélices hydromatiques Hamilton, les L.749 et les L.1649, d'hélices électriques Curtiss ?
La réponse est donnée par les caractéristiques de l'avionneur : les performances constructeur étaient légèrement supérieures avec ce type d'hélice. Toujours est-il qu'il fut impossible d'effectuer des essais comparatifs à la Compagnie, les helices Curtiss et Hamilton n'étaient pas interchangeables.
Les L.1049C MSN 4501 à 4509 livrés à KLM (Matricules PH-TFP à Y) étaient équipés d'hélice électriques Curtiss.
Caractéristiques communes
Hélice tripale à pas variable réversible et mise en drapeau, équipée d'un système d'antigivrage à liquide.
Le système de commande de l'hélice permet de régir :
- La vitesse constante des moteurs
- La synchronisation des quatre moteurs,
- L'augmentation ou diminution sélective individuelle du pas,
- La mise en drapeau automatique ou manuelle,
- La mise en pas inversé (Reverse)
Un levier de commande maître est également prévu pour modifier la vitesse de tous les moteurs simultanément. Les hélices ont un diamètre de 15 pieds.
| Caractéristique | Hélice Curtiss | Hélice Hamilton |
|---|---|---|
| Changement de pas | Moteur électrique | Système hydraulique |
| Synchronisation | Le moteur électrique maître du système synchroniseur sert de référence de vitesse pour les moteurs | Un des moteurs est choisi comme référence de vitesse |
L'hélice électrique Curtiss-Wright -
Cone d'hélice Curtiss-Wright éclaté
Schéma électrique des commandes
Avec le système de synchronisation des quatre moteurs.
Détails et fonctionnement
L'hélice Hydromatic Hamilton
Cone d'hélice Hamilton éclaté
Schéma électrique des commandes
Avec le système de synchronisation des quatre moteurs
Détails et fonctionnement
Et si, on s'intéressait au pourquoi d'un pas variable
et autres « trucs » relatifs aux hélices ?
Les premières hélices d'aviation avaient de très mauvais rendements. Leurs concepteurs ne les voyaient que comme des « vis à air » (En anglais « airscrew »). Félix Tournachon, dit Nadar, qui fonda en 1863, avec de La Landelle et Ponton d'Amécourt, la Société d'encouragement à la locomotion aérienne et publia le Manifeste de l'Autolocomotion Aérienne n'avait-il pas écrit :
« C'est l'hélice, la sainte hélice ! [...] qui va nous emporter dans l'air, comme la vrille entre dans le bois ».
Puis des spécialistes, les héliciers, ont réalisé que l'efficacité des hélices pourrait être améliorée en les considérant comme des ailes tournantes. Ils ajoutèrent cambrure et vrillage, les gains de performances furent considérables. Une hélice en rotation, crée une « portance » et une traînée et c'est cette portance, agissant horizontalement, qui attire l'avion vers l'avant.
Néanmoins, la conception des hélices n'est pas aussi simple que de fixer une paire d'ailes miniatures sur un moyeu.
Révisions en géométrie et mathématiques
Hélice : courbe dont les tangentes font un angle constant avec une direction donnée.
Soit un cylindre de rayon r et de longueur AB en rotation à vitesse constante : un point en translation sur une génératrice du cylindre décrit une hélice à la surface de ce cylindre. En « ouvrant » le cylindre en un rectangle ABB'A', on peut voir que la trajectoire du point s'apparente à une diagonale dudit rectangle.
Le pas d'une hélice
Pas géométrique ou pas théorique
Le pas d'une vis c'est l'avancement de cette vis à chaque tour complet. Lorsque l'on fait un tour de vis dans un écrou, la vis avance d'une distance nommé le pas de la vis. L'hélice se comporte presque de la même façon en se vissant dans le fluide - les premières hélices de bateau ressemblaient a des vis.
Une différence doit être faite entre :
- Le pas théorique ou pas géométrique
- et
- Le pas effectif ou pas aérodynamique de l'hélice :
Le pas géométrique est la distance que parcourerait l'hélice en un tour si elle se vissait dans dans un écrou.
De manière identique à la définition géométrique et mathématique de l'hélice, une section de pale d'hélice qui subit une translation H pour une rotation de un tour décrit une hélice géométrique. La corde de profil se confond avec la trajectoire. Sa translation H est le pas théorique (ou pas géométrique) de l'hélice.
H = 2π r tan α
('α' étant l'angle de calage de la pale)
Le pas théorique 'H' est donc la valeur de la translation de l'hélice pour une rotation complète dans un milieu incompressible et inerte.
Pas aérodynamique ou pas effectif
Le pas effectif est la distance effectivement parcourue par l'avion pendant un tour d'hélice. Dans un fluide compressible, l'hélice ne se visse pas comme dans un écrou ; par exemple, l'hélice peut tourner sans que l'avion avance.
Le profil de référence d'une pale d'hélice en mouvement est soumis à deux vitesses :
- Vt vitesse en translation en m/s (c'est la vitesse de l'avion)
- U vitesse tangentielle, égale à 2 π r.n (n étant la vitesse de rotation en tours/s)
La vitesse résultante Vr est égale à la somme vectorielle Vt + U
Le vent relatif V'r que subit la pale est de même direction que Vr, mais de sens opposé.
Pour faciliter la comparaison entre l'avance par tour et le pas théorique de l'hélice, les valeurs de Vt et U seront exprimées pour un tour d'hélice
La composante en translation devient donc Vt/n (avance réelle/tour) et la composante tangentielle U/n, soit 2π r (en mètre)
Vt/n est le pas aérodynamique
La direction du vent relatif forme avec le plan de rotation un angle ß qui est l'angle d'avance réel.
Vt/n = 2π r tan ß
Le recul ou glissement
L'air étant un fluide compressible et mobile, l'hélice n'avance que partiellement par rapport au pas théorique. L'avance réelle ne peut être égale à l'avance théorique. Le recul, noté 'Re' est la différence entre le pas théorique et le pas réel.
Re = H - Vt/n
Angle d'incidence
Le vent relatif « attaque » la face inférieure de la pale, non pas selon la corde du profil de pale, mais selon un angle d'incidence 'i' qui dépend de la valeur du recul 'Re'. La différence entre les angles de pas théorique et de pas réel est l'angle d'incidence 'i'
i = α - β
Avant d'expliquer pourquoi le pas variable est indispensable, voyons les forces mises en jeu sur les pales d'une hélice
Les forces de traction
Nous avons vu qu'une pale d'hélice subit deux vitesses :
- Une vitesse en translation Vt
- Une vitesse tangentielle U
Et que son déplacement suit la direction de Vr dont la vitesse résultante est égale à la somme vectorielle Vt + U
Le vent relatif V'r que subit la pale est de même direction que Vr, mais de sens opposé et « attaque » la face inférieure de la pale, non pas selon la corde du profil de pale, mais selon un angle d'incidence 'i' ce qui crée alors deux forces :
- Fz : portance perpendiculaire à Vr
- Fx : traînée de même direction et sens que V'r
Il en résulte une force Ra dont la direction varie avec l'incidence 'i'
Cette force peut également se décomposer selon les directions de translation et de rotation :
- T : composante traction
- Tt : composante traînée s'opposant à la rotation.
Il est important de bien noter que la composante traction T est une fonction de l'angle d'incidence 'i' de la pale d'hélice
Couple moteur et couple résistant
La somme des forces T de chaque pale est la traction (CM, couple moteur) et la somme des Tt est le couple résistant CR. Le Couple Moteur CM entraîne l'hélice et le couple résistant CR s'oppose à cette rotation.
Pour que le régime de rotation soit constant il faut que :
CM = CR
Puissance effective
L'hélice transforme l'énergie, elle reçoit la puissance du moteur Pe
Pe = CM.ω
avec Pe en W, CM : N/m et ω : radian/s
Puissance absorbée
L'hélice absorbe de la puissance. Puissance absorbée Pa
Pa = Tt.U
Avec Pa en W, Tt : N/m et U : m/s (vitesse tangentielle)
Puissance utile
La puissance utile déplace l'avion à la vitesse Vt
Pu = T . Vt
Avec Pu en W, T : N et Vt : m/s
Rendement
La puissance utile est toujours inférieure à la puissance effective, ce qui implique un rendement de l'hélice : Puissance utile/Puissance effective
η = T . Vt / Pe = CM.ω
ou
η = T.Vt / Tt.U
L'hélice en fonctionnement
Point fixe
V étant nul, Vt/n l'est également.
Re est alors égal pas géométrique H
L'angle de calage α est égal à l'angle d'incidence i
Tt est dans le plan de rotation
T est perpendiculaire au plan de rotation.
Ainsi V'r égale vitesse tangentielle
Quelque soit la valeur du régime on aura toujours la vitesse V'r opposée et égale à U
donc CM = CR
Décollage
Le pilote applique la puissance maximum et l'hélice atteint un régime maximum. Lorsque le pilote relâche les freins l'avion commence à rouler.
La vitesse de translation Vt commence à apparaître et augmente.
On a Vt/n > 0 et β > 0
L'angle d'incidence i diminue.
Ra diminue puisque liée à i et sa direction tend vers celle de la translation.
La force de traction T diminue légèrement
La force de traînée Tt diminue fortement
Le couple résistant n'équilibre plus le couple moteur
donc CM > CR
- Le moteur monte en régime
- L'avion prend de la vitesse
Croisière
si β continue d'augmenter, i diminue
Tt continue de diminuer, donc Ra également
Le moteur risque de passer en sur-régime, et le rendement de l'hélice diminue avec une vitesse tangentielle trop élevée (Dont les extrémités peuvent atteindre des vitesses transsoniques qui diminuent dramatiquement le rendement - Vitesse du son à 15°C : 661 Kt soit 1225 km/h)
Il faut réduire la puissance... ou...
augmenter l'angle de calage de l'hélice ce qui va augmenter le CR (Couple Résistant)
Conclusions
Il y a un angle d'incidence i pour lequel le rendement de l'hélice est optimal
Le calage des pales n'est optimal que pour une vitesse et un régime moteur donnés
Explications précédentes inspirées par AV_Waroff : L'hélice à petits pas - Site Les Autruches Volantes
Pas, calage, vrillage et vent relatif
On notera que l'on vient d'écrire calage des pales en parlant du pas
En effet, comme une pale d'hélice présente un vrillage et une cambrure, le pas de l'hélice décroît régulièrement au fur et à mesure que la distance avec le moyeu s'accroît. Ceci est fait pour que les forces de traction T ainsi que le rapport vitesse tangentielle/vent relatif (U/V'r) aient (presque) les mêmes valeurs tout le long de la pale, la vitesse tangentielle U s'accroissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne du moyeu. Donc, en étant puriste, il serait préférable de parler de calage plutôt que de pas. On prend comme référence de calage la valeur du pas à 70 % du pied de pale.
Hélice de 2,13 m de diamètre tournant à 2850 t/mn
Avec une vitesse de rotation de 2850 t/mn, l'extrémité d'une pale d'hélice a une vitesse de de 619 Kt (soit 1146 km/h). Les parties de l'hélice situées à 35 cm et à 70 cm de l'axe ont des vitesses respectives de 206 et 412 Kt (381 et 763 km/h). En supposant une vitesse de déplacement de l'avion de 140 Kt (260 km/h), on combine cette vitesse avec les vitesses tangentielles pour calculer les vitesses du vent relatif rencontré par les différentes parties de la pale. Il en résulte une vitesse de 249 Kt de vent relatif avec un angle de 34° par rapport au plan de rotation pour la section à 35 cm du moyeu. A 70 cm du moyeu, le vent relatif est plus fort, 435 Kt, et, à l'extrémité de l'hélice, la vitesse du vent relatif est au maximum, soit 635 Kt, et nécessite un angle de seulement 13°.
Ces valeurs sont purement théoriques et sont celles calculées par un hélicier. En réalité, elles ne tiennent pas compte des pertes de portance et des augmentations de traînée induites par un profil imparfait.
Pour générer de la portance - donc de la poussée - efficacement, tenir compte des pertes et, ainsi, absorber avec efficience la puissance moteur toutes les sections de l'hélice doivent avoir un « angle d'attaque » d'environ 5°, donc prendre un calage supplémentaire de 5° . En d'autres termes, au lieu d'avoir un calage de 19° (À 70 % du moyeu) il faudrait un calage de 24° et, les sections basses et hautes des pales décrites dans la figure devraient avoir des pas respectifs de 39° et 18°.
Lorsque les héliciers sont arrivés à vriller les hélices, ils ont rencontré un autre problème. La figure ci-dessous représente la section d'une hélice située à 60 cm du moyeu, tournant à 2300 t/mn. Sa vitesse de rotation est de 285 Kt. En vol de croisière à 100 Kt, l'angle minimum théorique requis pour l'hélice est de 19°. Mais à 130 Kt, c'est un angle de 25° qui est nécessaire, et enfin à 200 Kt il faut un angle de 35°.
Autrement dit, l'angle de la pale devrait changer avec la vitesse de déplacement pour optimiser les performances. Une hélice à pas fixe n'est ainsi qu'un compromis. Pour gagner en efficacité, le pas de l'hélice doit être petit au décollage, moyen pour des vitesses modérées ou de montée, et grand pour le vol en croisière.
Le pas fixe
Les premières hélices étaient à pas fixe. Le pilote devait choisir - lorsque ce fut possible - entre une hélice pour la montée avec un pas moyen ou une hélice de croisière avec un grand pas. Le petit pas permet des montées rapides et des évolutions en voltige au détriment de la vitesse de croisière. Un pilote voulant effectuer de longs voyages pouvait faire installer une hélice de croisière en sacrifiant les performances de montée. Les premiers avions de courses avaient des hélices à pas extraordinairement grand et atteignaient de très grandes vitesses, mais le décollage et la montée exigeaient une énorme patience...
Le pas réglable au sol
Un premier progrès fut celui des hélices à pas réglable au sol. Le pilote - ou plutôt le « graisseux » (Mécano) - pouvait débloquer un collier de serrage ou des écrous de contre-blocage pour faire pivoter les pales et en changer le pas. Néanmoins, cela ne permettait pas de modifier le pas au cours du vol.
Comme, par exemple, l'hélice Ratier métallique série 580, conçue en décembre 1927. Il s'agit d'une hélice de trois mètres de diamètre, réglable au sol, pour avion Potez 25 A2 à moteur Lorraine type Eb de 450 chevaux.
L'hélice est constituée d'un moyeu en acier et de deux pales en Duralumin. La liaison des pales au moyeu est assurée par un filet carré : les pales sont vissées dans le moyeu. Des mâchoires, ou sabots, permettent de bloquer les pieds de pales au moyen de vis. Un contre-écrou dont le pas est inverse de celui du filetage carré complète le blocage de chaque pale dans le moyeu. Un disque gradué et un index permettent de régler l'augmentation ou la diminution d'incidence de la pale par rapport au pas de construction, ceci sans démonter l'hélice.
Le petit-pas au décollage - Grand pas en vol
Puis, vint le temps des « Gonfleurs d'hélice », où les hélices étaient mises en position « petit-pas » avant le décollage, au sol par le mécano qui branchait une pompe pneumatique sur une valve du cône d'hélice. La pression générée déplaçait un piston (repoussé par un ressort) jusqu'à la position petit-pas à laquelle il était alors bloqué par un cliquet. Après le décollage, le pilote tirait sur une manette qui déclenchait le cliquet ; le piston poussé par le ressort revenait vers la position grand pas progressivement. Cette hélice n'avait de « pas variable » que le nom puisque seules deux positions existaient et qu'il était impossible au pilote de revenir vers petit pas ; ce qui fut la cause de la mort d'Hélène Boucher qui ne put pas effectuer une remise de gaz pour redécoller à petit-pas.
Magnifiques pages sur les évolutions des hélices
Le pas variable en vol
Ces limitations et contraintes furent dépassées avec l'introduction de l'hélice à pas variable en vol. Elle répondait aux souhaits du pilote en lui permettant de régler le pas depuis l'intérieur du poste de pilotage tout simplement en actionnant une manette. Le système de réglage du pas pouvait être hydraulique, électrique ou encore mécanique. Voir les principes électrique (Curtiss) et hydraulique (Hamilton) en haut de page - ces principes n'ont pas changés au cours des années.
Avant le décollage, le pilote ajustait l'hélice au petit pas - comme expliqué dans les figures précédentes, les angles plus petits sont plus efficaces pour des vitesses faibles. De plus, une pale réglée au petit pas crée moins de traînée, permettant ainsi au moteur de développer sa puissance maximale. Une hélice à pas fixe classique est en général réglée à un pas plus important - un compromis - le moteur ne peut donc pas fournir la pleine puissance au décollage.
Au cour de la montée, le pilote augmente légèrement le pas de celle-ci pour avoir un taux de montée optimum. Puis, arrivé au niveau de croisière, il passe au grand pas.
L'avion peut être piloté efficacement dans toutes les phases du vol en ajustant, en permanence, le pas de l'hélice à l'allure appropriée.
Régime constant - Constant speed
Nous sommes en vol de croisière, l'aiguille du compte-tours affiche 2300 t/mn et nous décidons de monter d'altitude. Sans toucher à la manette des gaz, le pilote cabre l'appareil et sa vitesse décroît. Simultanément, la vitesse de rotation de l'hélice diminue à cause de l'augmentation de la charge aérodynamique. Réciproquement, lorsque la vitesse s'accroît, par exemple en descente, la vitesse de rotation de l'hélice augmente parce que la charge aérodynamique diminue.
Pour maintenir la vitesse de rotation constante avec une hélice à pas fixe lorsque la vitesse de déplacement change, le pilote doit ajuster la manette des gaz. En vol sur un avion ayant une hélice à pas variable, le pilote a le choix. Il peut soit changer le réglage de la manette de gaz, soit le pas de l'hélice. En diminuant l'angle du pas, c'est la vitesse de rotation qui augmente et inversement.
Une des façons de supprimer cet inconvénient consistait à inventer un système capable de changer automatiquement le pas de l'hélice pour compenser les variations de régime. C'est là qu'entre en scène l'hélice « constant speed » littéralement « à vitesse-constante ». Un régulateur est incorporé pour maintenir le nombre de tours-minute désiré et ce, quelles que soient les variations de vitesse de l'appareil. Le plus simple de ces systèmes, est le bon vieux régulateur à boules de James Watt (1787), premier système rétroactif.
D'après McCauley Propeller Systems
Les systèmes « régulateurs à masselottes » sont, bien sûr, adaptés aux régulateurs d'hélice, mais le principe demeure exactement le même : la force centrifuge générée par la rotation de l'ensemble fait s'écarter plus ou moins les masselottes qui, par un ensemble de leviers et un collet, font monter ou descendre une fourchette de commande. La « fourchette » du régulateur à masselottes va aller commander soit un tiroir de distribution pour le régulateur d'hélice hydraulique, soit un commutateur inverseur pour le régulateur électrique.
Ci-contre, principe du système régulateur d'hélice à commandes hydrauliques
Pour en arriver à une hélice à pas variable à commandes hydrauliques
Dans le cône d'hélice est installé un cylindre dans lequel coulisse un piston qui actionne des biellettes dont les têtes sont fixées de manière excentrée sur les pieds des pales d'hélice. Le déplacement du piston est contré par un ressort.
Les pales changent de pas par la force des biellettes poussées ou tirées par le piston et le ressort antagoniste.
La pression hydraulique provient d'une pompe entraînée par le moteur.
En bloquant le débit d'huile, les pales restent en pas constant.
Diminution du pas
McCauley Propeller Systems
Augmentation de la pression d'huile
Augmentation du pas
McCauley Propeller Systems
Diminution de la pression d'huile
Synoptique hélice à pas variable avec son régulateur
McCauley Propeller Systems
McCauley Propeller Systems
La manette de commande de pas du poste de pilotage est relié au levier de commande du régulateur qui fait tourner un axe fileté. Lorsque le levier est déplacé, l'axe fileté tourne et monte ou descend pour augmenter ou diminuer la compression sur le ressort compensateur. Cela augmente ou diminue la force centrifuge nécessaire pour permettre aux masselottes de s'écarter. L'écartement des masselottes, par l'intermédiaire d'un collet coulissant, déplace le tiroir distributeur selon trois positions :
- couper le circuit d'huile - Pas fixe
- huile de l'hélice vers le carter - Vers grand pas
- pression d'huile vers l'hélice - Vers petit-pas
D'après livret de cours CIV
La force avec laquelle le ressort est compressé règle donc la vitesse de rotation du moteur à une valeur fixe en agissant sur le pas des pales. Le levier de commande du poste de pilotage permet au pilote pilote de décaler la plage de fonctionnement du régulateur pour modifier le régime moteur.