Fiche de révision : Notions fondamentales et réalisation des hélices

📋 Plan du Cours

1. Géométrie et types d’hélices
2. Comportement aérodynamique
3. Forces et puissance de l’hélice
4. Paramètres de conception
5. Construction et fonctionnement
6. Matériaux et réparation
7. Modes de fonctionnement de l’hélice
8. Commande de pas et régulateur
9. Mise en drapeau et reverse
10. Synchronisation et synchrophasage
11. Protection contre le givrage
12. Équilibrage des hélices
13. Alignement et calage des pales
14. Inspection des dommages de pales
15. Réparation des hélices métalliques
16. Stockage et réception des hélices

📖 1. Géométrie et types d’hélices

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélice : Constituée de pales identiques montées sur un moyeu à intervalles réguliers, et comportant généralement de 2 à 8 pales.
• Pas géométrique : Le pas géométrique est la distance parcourue par un point de la section de l’hélice en un tour et vaut $Pas = 2\pi r\tan\alpha$.
• Section de référence : Située à r = 0,7 × R, où R est le rayon de l’hélice.
• Pas de l’hélice : Le pas géométrique mesuré au point de la section de référence.

📝 Points essentiels

📌 Une hélice est à calage fixe si l’orientation des pales ne peut pas être modifiée, à calage réglable si elle peut être modifiée au sol, et à calage variable si elle peut être modifiée lorsque l’hélice est en mouvement, en vol.

📖 2. Comportement aérodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Pas aérodynamique : Le pas aérodynamique est l’avancement de l’avion exprimé par tour d’hélice et vaut $\frac{V_t}{n}$.
• Recul de l’hélice : Le recul Re d’un élément de pale est la différence entre le pas géométrique H et le pas aérodynamique, soit $Re = H - \frac{V_t}{n}$.

★ À maîtriser

📐 Formule - La vitesse circonférentielle d’un élément de pale est $U = 2\pi r n$, avec n en tours par seconde et r en mètres.

📌 Si le recul est nul, l’incidence est nulle et la composante aérodynamique se limite à la traînée du profil, de sorte que l’hélice ne produit pas de traction.

Compléments

• L’incidence i d’une section de pale est l’angle entre la corde du profil et la vitesse résultante de la section par rapport à l’air ambiant.

📐 Formule - Les angles de calage α, d’incidence i et entre le plan de rotation et le vent relatif β vérifient $\alpha = i + \beta$.

💡 Astuce mémo

Recul nul → incidence nulle → absence de traction.

📖 3. Forces et puissance de l’hélice

★ À maîtriser

📌 La réaction aérodynamique élémentaire sur un profil se décompose en une portance perpendiculaire au vent relatif et une traînée dans la direction du vent relatif.

📐 Formule - Le couple résistant de la pale vaut $C_r = T_t r$, où T_t est l’effort tangentiel résultant appliqué à la section de référence.

📌 Pour maintenir une rotation uniforme, le couple moteur doit être égal au couple résistant, soit $C_m = C_r$.

📐 Formule - La puissance utile de propulsion vaut $P_u = T V_t$ et le rendement de l’hélice est le rapport de la puissance utile à la puissance reçue.

Compléments

• La réaction aérodynamique élémentaire se décompose selon la translation en effort élémentaire de traction et selon le plan de rotation en effort tangentiel élémentaire opposé à la rotation.

📐 Formule - La puissance d’un élément tournant vaut $P = C\omega$, tandis que celle d’un élément en translation vaut $P = FV$.

• Au point fixe, lorsque Vt = 0, le rendement de l’hélice est nul ; le cours indique un rendement optimal compris entre 0,80 et 0,90.

📖 4. Paramètres de conception

★ À maîtriser

• L’angle d’incidence du profil de pale est le principal paramètre géométrique influant sur le rendement, et son optimum dépend de la vitesse d’avancement.

📌 Pour obtenir un rendement optimal dans différentes phases de vol, le calage variable permet de modifier l’incidence des pales en vol ; un calage fixe ou réglable est optimisé pour un domaine de vol particulier.

📌 Les fréquences propres des pales ne doivent pas se trouver dans leurs plages d’utilisation, car une résonance provoque la destruction du matériel ; elles dépendent notamment de la géométrie, du matériau et de la structure de la pale.

Compléments

📌 Pour éviter une vitesse d’extrémité de pale proche de celle du son, la conception peut limiter le régime de rotation ou le diamètre de l’hélice.

📌 Pour réduire l’influence du sillage d’une pale sur la suivante, la conception peut limiter le nombre de pales ou modifier leur profil.

• Pour réduire les contraintes centrifuges au pied de pale, la conception peut :

  • diminuer le régime de rotation
  • diminuer la masse de la pale
  • modifier la forme de la pale

• Les vibrations induites sont limitées par : l’équilibrage de chaque pale, l’équilibrage de l’hélice assemblée si nécessaire, l’appairage des pales si nécessaire, l’équilibrage des angles de calage selon la conception

💡 Astuce mémo

Vibrations en résonance → destruction du matériel.

📖 5. Construction et fonctionnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Pied de pale : Partie qui relie la pale au moyeu ; toujours métallique et généralement forgée et grenaillée dans les zones fortement sollicitées.

★ À maîtriser

• Une hélice fonctionne normalement sous une force centrifuge de 10 à 20 tonnes sur les pales, qui tend à les extraire du moyeu.

📌 Une hélice à pas fixe privilégie soit la traction au décollage avec un petit pas, soit la vitesse de croisière avec un grand pas, tandis qu’une hélice à pas variable adapte le calage aux phases de vol.

• En régime constant, le variateur d’hélice, couplé au tachymètre moteur, adapte le pas pour maintenir le moteur dans sa zone de meilleur rendement en consommation spécifique.

Compléments

• Les stations repèrent les sections d’une pale du moyeu à son extrémité et sont espacées d’un pouce, soit 25,4 mm ; la section située à 70 % de la longueur du profil est la section de référence.

• La face avant, ou bord d’attaque, reçoit des renforts résistants aux chocs et à l’abrasion, tandis que la face arrière, ou bord de fuite, est moins rigide et plus fragile.

• Le dévrillage progressif réduit l’incidence de la pale du pied vers l’extrémité, où la vitesse linéaire d’attaque est plus élevée.

📌 En mode reverse, l’hélice agit comme une surface écran qui s’oppose à l’avancement, et ce mode est interdit en vol.

• Le cône d’hélice favorise l’écoulement de l’air à l’emplanture des pales, améliore l’aérodynamisme du nez de l’avion et abrite souvent le mécanisme de changement de pas.

💡 Astuce mémo

Pas fixe : domaine de vol privilégié ; pas variable : calage adapté en vol.

📖 6. Matériaux et réparation

★ À maîtriser

• Pour les calculs de structure en bois, le rapport traction/compression adopté est de 2 ; une enture mesure au minimum 20 fois l’épaisseur en traction et 15 fois en compression.

📌 Une pale tordue ou voilée relève d’une réparation importante à confier à une station de réparation d’hélice approuvée selon des directives approuvées, et une pale ne doit jamais être redressée.

📌 Sur les pales en alliage léger, les entailles, sillons et éraflures de moins de 1/32 de pouce (0,8 mm) de largeur ou de profondeur peuvent être reportés jusqu’à la prochaine visite d’entretien ; les dommages plus grands ou plus profonds doivent être réparés.

Compléments

• Les pales en bois sont réalisées de préférence en lamellé-collé, avec les fibres orientées dans le sens de leur longueur, et leur densité est inférieure à celle des feuillus, généralement plus résistants mécaniquement que les résineux.

• Les quatre familles de colles citées pour la construction aéronautique en bois sont :

  • la caséine
  • la résorcine ou l’urée-formol
  • l’époxy
  • le polyuréthane

📌 Les pales métalliques sont généralement en alliages légers d’aluminium moulés ou forgés puis réusinés, tandis que les pales composites associent un noyau léger à une peau rigide en fibres, notamment de carbone et d’aramide.

• Après une retouche de pale en alliage léger, il faut :
  • contrôler la zone par ressuage
  • prévenir la corrosion
  • vérifier la géométrie par gabarits
  • égaliser le poids des pales
  • rééquilibrer l’hélice

📖 7. Modes de fonctionnement de l’hélice

🔑 Notions clés & Définitions

• Transparence : Le fonctionnement où la réaction aérodynamique se trouve dans le plan de rotation, avec un effort de traction nul mais un couple résistant présent.

★ À maîtriser

• Les modes d’hélice correspondent à des angles de calage approximatifs de 1° au nul, 10° au petit pas, 45° au grand pas, 90° au drapeau et −10° en reverse.

📌 En traction, la composante tangentielle de la réaction aérodynamique est dans le sens de la vitesse circonférentielle, tandis qu’en freinage elle est de sens opposé.

• Quand la vitesse de translation augmente suffisamment, l’incidence devient négative et l’hélice passe du freinage au moulinet lorsque sa composante tangentielle devient positive ; elle fournit alors de l’énergie sur l’arbre.

Compléments

• Le moulinet peut être utile pour sortir une hélice du drapeau et relancer un moteur arrêté, mais il peut aussi accroître la traînée moteur arrêté ou provoquer une survitesse si le moteur fournit de la puissance.

💡 Astuce mémo

Traction fournit la poussée ; freinage absorbe la puissance, tandis que le moulinet peut entraîner l’hélice.

📖 8. Commande de pas et régulateur

★ À maîtriser

• La commande de pas fait tourner la pale autour de son axe au moyen de deux transformations successives du mouvement.

• Le mécanisme primaire transforme généralement la translation axiale d’un vérin hydraulique ou pneumatique en rotation d’une pièce intermédiaire, souvent au moyen d’une came cylindrique.

📌 Le mécanisme secondaire transforme la rotation de la pièce intermédiaire en rotation de la pale au moyen d’une came ou d’un renvoi d’angle.

• Le régulateur utilise des masselottes centrifuges qui déplacent le tiroir de distribution hydraulique, tandis que le ressort de tarage fixe le seuil et que la manette de régime agit sur ce ressort.

Compléments

• 🔄 Dans un mécanisme secondaire à came, le mouvement suit ces étapes :

  1. La came cylindrique tourne.
  2. La came déplace le maneton excentré dans sa rainure.
  3. Le maneton lié au pied de pale fait tourner la pale.

• Dans un renvoi d’angle, une couronne liée à la seconde came engrène avec un secteur denté lié au pied de pale pour faire tourner celle-ci.

💡 Astuce mémo

Translation → rotation de la pièce intermédiaire → rotation de la pale.

📖 9. Mise en drapeau et reverse

🔑 Notions clés & Définitions

• Mise en drapeau : Place les pales dans l’axe du vent relatif afin d’éviter le fonctionnement en moulinet et la forte traînée associée lors d’une panne moteur.
• Reverse : Donne aux pales un angle de calage négatif, inverse la force de traction et sert à réduire la distance de roulage à l’atterrissage.

★ À maîtriser

📌 Le passage en reverse est commandé par la manette de puissance et impose le ralenti avant l’engagement, car la transition passe par le moulinet, où une puissance moteur peut provoquer une survitesse.

• La sécurité électrique de la reverse exige l’action simultanée de l’interrupteur de train activé au sol, de l’interrupteur de cabine et du microcontact de la manette de puissance.

Compléments

📌 La mise en drapeau peut être commandée manuellement par la manette de régime ou automatiquement, sur les aéronefs multimoteurs, après détection de perte de couple par un manocontact.

• La sécurité mécanique de la reverse comprend une butée de manette à escamoter et une butée petit pas qui limite la course du piston de commande.

💡 Astuce mémo

Drapeau aligne les pales au vent relatif ; reverse incline les pales pour inverser la traction.

📖 10. Synchronisation et synchrophasage

★ À maîtriser

📌 La synchronisation égalise les vitesses des hélices, tandis que le synchrophasage règle leurs positions angulaires relatives.

• Le système comprend : un capteur de synchrophasage sur chaque hélice, un boîtier de synchrophasage qui traite les signaux, un interrupteur de synchronisation en cabine

• Lorsque la synchronisation est activée dans un mode prédéfini, le boîtier compare les impulsions des capteurs puis commande le régulateur des moteurs esclaves pour réduire l’écart de vitesse ou de phase par variation du pas.

Compléments

• Sur ATR, le traitement de synchronisation commence lorsque la vitesse atteint 70 % de la vitesse plein régime, et la variation imposée peut atteindre environ 2,5 % de la vitesse du moteur maître.

• Le moteur 1 est généralement considéré comme maître, les autres moteurs étant esclaves, et le module de synchronisation du régulateur n’est pas présent sur le moteur maître.

📌 Le système de synchronisation et d’ajustement de phase décrit pour l’ATR doit être désarmé au décollage, en approche et à l’atterrissage.

💡 Astuce mémo

Synchronisation règle les vitesses ; synchrophasage règle les positions angulaires.

📖 11. Protection contre le givrage

★ À maîtriser

• La protection antigivrage des pales utilise des résistances chauffantes isolées alimentées en 115 V, reliées de la partie fixe à la partie tournante par un collecteur et des balais.

• Sur ATR, le timer alimente pendant 90 secondes les dégivreurs de deux pales opposées, puis pendant 90 secondes ceux des deux autres pales, et répète le cycle tant que l’interrupteur reste sur ON.

• Le givre peut provoquer une chute brutale du rendement, des vibrations par déséquilibre des pales et des dommages lorsqu’un bloc de glace se détache.

Compléments

• Sur ATR, le voyant vert allumé indique que les dégivreurs sont correctement alimentés ; son extinction alors que la commande est sur ON signale une anomalie, sans empêcher l’alimentation des dégivreurs encore en état.

• Sur ATR, une minuterie électronique commande le dégivrage de l’entrée d’air, des pales et du dôme d’hélice, et deux systèmes indépendants alimentent les hélices des moteurs 1 et 2.

💡 Astuce mémo

Glace irrégulière → déséquilibre, vibrations et baisse de rendement.

📖 12. Équilibrage des hélices

★ À maîtriser

📌 Après toute réparation ou réfection de finition, l’équilibrage d’une hélice en bois doit être vérifié sur un banc à couteau rigide ou avec une balance suspendue, dans une pièce sans courant d’air.

📌 Le déséquilibrage statique vient d’un centre de gravité qui n’est pas sur l’axe de rotation, tandis que le déséquilibrage dynamique vient d’éléments homologues qui ne tournent pas dans le même plan.

📐 Formule - Dans le procédé britannique-américain, l’équilibre des moments des pales vérifie $P \times L = P_1 \times L_1$.

📌 Quand le poids de l’hélice complète ou de ses éléments est inférieur aux limites permises, l’équilibrage peut être corrigé par ajout de masses ; au poids maximum permis, il faut diminuer le poids en des points désignés par le constructeur.

Compléments

📌 Le déséquilibrage aérodynamique provient d’une poussée ou d’une traînée différente entre les pales et peut être presque entièrement éliminé en vérifiant leur profil et leur angle d’attaque.

• 🔄 Le contrôle statique sur couteaux se déroule ainsi :
  1. Introduire un manchon dans le trou de passage de l’arbre de l’hélice
  2. Faire passer un mandrin ou un axe à l’intérieur du manchon
  3. Poser les extrémités de l’axe sur les couteaux en laissant l’hélice tourner librement

💡 Astuce mémo

Statique : centre de gravité décalé ; dynamique : éléments homologues dans des plans différents.

📖 13. Alignement et calage des pales

🔑 Notions clés & Définitions

• Alignement des pales : Opération qui détermine la position des extrémités des pales les unes par rapport aux autres et indique leur position relative, non leur trajectoire réelle.

★ À maîtriser

• Pour contrôler le tracking, on place une tige ou un câble en contact léger avec une pale près de son extrémité, puis on fait tourner l’hélice et on mesure l’écart pour chaque pale successive.

📌 Pour vérifier l’angle d’attaque, il faut consulter les instructions du constructeur indiquant l’angle et la position de mesure, puis utiliser un rapporteur universel lorsque l’hélice est sur le banc d’équilibrage ou montée sur le moteur.

Compléments

📌 La tolérance d’alignement des points correspondants des pales ne doit pas dépasser celle précisée par le constructeur de l’hélice.

• Sur le rapporteur universel, dix intervalles du vernier correspondent à neuf intervalles de l’échelle en degrés, et les intervalles du vernier représentent des dixièmes de degré.

📖 14. Inspection des dommages de pales

★ À maîtriser

• L’inspection des hélices en bois recherche notamment :
  • les criques
  • les coups
  • les éraflures
  • les gauchissements
  • les défaillances de collage
  • les séparations des lamelles
  • les ruptures
  • les défauts de finition

📌 Les hélices et pales en aluminium présentant une crique ou une fissure transversale dans le sens de la corde doivent être rejetées, quelle que soit sa taille.

• 🔄 Après le traitement anodique, la pale est :
  1. Rincée à l’eau courante froide pendant 3 à 5 minutes
  2. Séchée aussi vite que possible
  3. Examinée après au moins 15 minutes
  4. Étanchée dans l’eau chaude à 82 °C à 100 °C pendant une demi-heure

Compléments

📌 Lors de l’inspection d’une hélice en bois déposée, on contrôle les boulons, l’ovalisation des trous, l’élargissement du trou du moyeu et la présence de criques dans ce trou et sur l’hélice ; les boulons usés ou criqués doivent être remplacés par des boulons neufs de type AN.

• Sur une hélice en bois, la séparation du blindage et du bout de bord d’attaque peut indiquer un déplacement vers l’extérieur sous l’action de la force centrifuge et s’accompagner d’une décoloration ou d’un desserrage des rivets.

• Le décapage à l’acide d’une pale en aluminium consiste à l’immerger dans une solution chaude de soude caustique à 20 %, à la rincer à l’eau chaude, à la nettoyer dans une solution chaude d’acide nitrique à 20 %, à la rincer de nouveau puis à la polir.

• Pour le décapage à l’acide des pales en aluminium, les deux solutions doivent être maintenues entre 160 °F (71 °C) et 180 °F (82 °C), et les surfaces doivent être examinées avec une loupe grossissant au moins 3 fois.

💡 Astuce mémo

Encoches et rayures profondes concentrent les contraintes, ce qui favorise les ruptures par fatigue.

📖 15. Réparation des hélices métalliques

★ À maîtriser

📌 Les réparations d’hélices métalliques doivent suivre les recommandations de l’hélicier et les techniques et pratiques les plus récentes de l’industrie.

📌 Les hélices et pales en alliage d’aluminium portant des impacts, coupures, entailles, rayures, encoches ou piqûres de bord d’attaque peuvent être réparées si leur élimination ou leur traitement n’affecte pas substantiellement la résistance, le poids ou les performances de la pale.

Compléments

📌 Les réparations de pales en acier doivent suivre les recommandations de l’hélicier, car les dommages de surface et leur réparation influent sur la fatigue et la durée de vie des pales.

📖 16. Stockage et réception des hélices

★ À maîtriser

• Une hélice ou une pale ne peut être stockée plus de 5 ans ou 60 mois sans inspection complète, et la date de départ de la limite calendaire est la date de première monte.

• Pour un stockage de moins de 2 ans, il faut effectuer une inspection visuelle de l’hélice ou de la pale et vérifier les conditions de stockage, notamment la température et l’hygrométrie.

• Après plus de 2 années révolues de stockage, il faut ajouter aux contrôles visuels des inspections approfondies internes et externes portant notamment sur la corrosion et les traces d’impact, remplacer les joints et les lubrifiants, et tester les systèmes de dégivrage.

Compléments

• En usine, les pales sont stockées sur des étagères adaptées à leur forme, dans des salles à température contrôlée et à hygrométrie régulée, cette dernière étant indiquée comme la première cause d’oxydation et de corrosion des pieds de pales.

📌 À la livraison d’un colis contenant une hélice, il ne faut signer le bon de livraison qu’après avoir vérifié le matériel conditionné et la fiche matricule d’équipement, et s’être assuré que l’ensemble et l’emballage sont en bon état.

💡 Astuce mémo

Moins de 2 ans : contrôle visuel ; au-delà : inspection approfondie et remplacement des joints.

📊 Tableaux de synthèse

Fonctionnement de l’hélice