Régime de rotation idéal pour les hélices d'ULM ?

[MYR]

Pour les ULM, quel est le régime de rotation idéal pour les hélices, compte tenu des diamètres moyens qu'il est possible d'utiliser, de la puissance max disponible (100hp) ?
Cette question a un lien direct avec ce sujet : http://www.forum-ulm-ela-lsa.net/viewto ... =30#p16849 où il est question d'un moteur de 170Nm de couple (contre 128 Nm pour le classique 912S Rotax). Cela revient donc à déterminer un taux de réduction idéal pour ce moteur (Ecoboost de Ford).
A gauche : courbes du Ecoboost. A droite : courbes du 912S de Rotax.

[tetex255]

Le paramètre d'une hélice ne se résume pas à son diamètre et son régime.
Ce que l'on souhaite favoriser est important. Le profil aérodynamique est important également.

Un nez profilé, une hélice a diamètre restreint favorisera les hautes vitesses: le taux de réduction sera plutôt faible.
Une hélice de plus grand diamètre favorisera les performances STOL (si le reste de l'aéronef suit bien sur !): le taux de réduction sera plus élevé.

Il ne faut pas perdre de vue qu'assez souvent, le diamètre de l'hélice dépend de la garde au sol, d'où l’existence des tripales et plus...LE choix n'est donc pas une optimisation mais il découle d'une contrainte....tout est compromis dans un aéronef...

Pour répondre à la question, il manque donc des données. (utilisation STOL ou voyage, garde au sol, etc....)
Propose des hypothèses, des réponses deviendront possibles.

[Yankeeromeo]

Pour simplifier (mais vraiment beaucoup simplifier), on peut dire que l'on a toujours intérêt à faire tourner l'hélice le moins vite possible, en tenant compte des autres paramètres qui limitent le choix.
Le premier de ce paramètres est le moteur, que l'on peut choisir selon des nombreux critères, souvent contradictoires, comme le poids, le prix, ou la consommation. Et pour un moteur donné on est obligé d'adapter l'hélice.
C'est pareil pour le programme de l'aéronef, sa vitesse maximale élevée va nous obliger à réduire le diamètre de l'hélice, ou au contraire, son usage STOL va nous suggérer de la choisir plutôt plus grande...
Mais dans chaque ensemble des conditions, moins elle tourne vite, et mieux c'est.

Sauf que généralement, le choix d'hélice arrive chronologiquement le dernier, et on est obligé de composer avec.
Par exemple, on choisit des moteurs non réductés pour leurs poids et consommations plus faibles (Jabiru, ou D-Motor), mais le prix à payer est la vitesse de rotation plus élevée. L'hélicier doit donc composer avec, et concevoir une hélice qui pourra efficacement travailler à 2900 rpm plutôt qu'à 2300 rpm. Comme ces conditions sont déjà imposées par le concepteur du moteur et celui de l'avion, poser la question au concepteur d'hélice est un peu incongru... il n'a plus le choix.

En résumé, il n'y a pas de régime de rotation idéal, à moins de commencer la conception de l'aéronef par son extrémité avant, c'est-à-dire par son hélice...
Cependant, ce état de la conscience collective n'est pas encore arrivé. Pour l'instant tous les constructeurs et propriétaires d'avions (plus ou moins légers) pensent à l'hélice à la fin, alors que c'est par elle pourtant que l'avion commence...

[tetex255]

Très bon post de Yankeeromeo.
Je pense toutefois que l'étude d'un aéronef se réfléchi et pensé dans son ensemble, d'où la difficulté. Tout est inter-dépendant.
Une modification mineur remet en question tout le reste.

Pour répondre quand même un peu à la question. Les héliciers fabriquent des hélices optimisées pour un régime et une gamme de puissance données.
La réflexion d'un réducteur doit donc se porter sur l'utilisation d"une hélice existante.
En effet, il serait dommage (et coûteux) d'être obliger de faire fabriquer une hélice spécifique....

[Yankeeromeo]

C'est bien pour cela que les hélices à pas ajustable au sol gagnent du terrain...
Mais quand on a le choix du réducteur, il vaut choisir une réduction plus importante qui permet à la fois, au moteur de tourner à la vitesse pour laquelle il fut conçu, et à l'hélice de ne pas perdre trop d'efficacité.

[JETHRO]

Ne pas oublier qu'il y a un troisième larron dans la définition de l'hélice : la vitesse de translation de l'aéronef !
C'est bien là le pourquoi du comment de la raison d'être de l'hélice à pas variable en vol, voire "constant-speed".

[MYR]

Merci à tous pour ces réponses très érudites. Avant de passer à la suite, pardonnez ma naïveté et ma sottise svp. Je fais partie des gens qui n'ont pas peur de passer pour c.. sachant que de toutes façons, un minimum de 50% de la population n'est pas plus malin (mais 95% des humains se croient plus malins ...).

Ma question qui porte sur le régime de rotation d'une hélice donc sur le taux de réduction ne concerne pas une utilisation avec un ULM précis. L'objectif est d'y comprendre quelque chose mais pas spécialement d'appliquer à un cas de profil aérodynamique de cellule d'ULM précis.

Pour rester concret et en revenir à mes moutons (c'est à dire au moteur Ecoboost dont les courbes sont affichées au dessus), je constate que pour une même puissance il y a un régime plus bas et un couple plus important que le Rotax qui est le moteur fétiche des ULMistes. Le Ecoboost semble donc avoir de meilleures potentialités, d'autant que la courbe de couple est parfaitement plate, et le couple max immédiatement atteint dès que l'on quitte le régime de ralenti.
Le 912S a un réducteur unique de 2,43. Cela donne un régime hélice max de 2 387 pour 5800 rpm moteur. Si on donnait ce même régime à l'hélice d'un Ecoboost (il faudrait une réduction de 1,78) il aurait certainement les mêmes performances que le 912S aux hauts régimes (~ même puissance, et ~ même couple compte tenu du taux de réduction du 912S). En revanche pour les régimes faibles (où il y a beaucoup de puissance chez le Ecoboost) on arriverait à un régime hélice très bas ! C'est pour cette raison que je m'interroge et vous interroge et que j'ai titré ce sujet : Régime de rotation idéal pour les hélices d'ULM ? Je connais bien l'adage "plus le régime hélice est bas, mieux, c'est", mais il y a forcément une limite. Pour raisonner par l'absurde : on ne peut pas faire tourner une hélice d'ULM à 60 tr/mn ...
A titre d'exemple concret volontairement extrême : Pour une puissance très basse de ~ 45 hp ou 33 kW (mais qui cependant selon moi permettrait de faire tenir en l'air tous les ULM), on arriverait à un régime hélice de ~ 1000 rpm (!!!) pour 302 Nm avec le Ecoboost : qu'en pensez-vous ? est-ce exploitable ?
De façon très très très intuitive, je me dis que même à un si faible régime, vu le couple (302 Nm) qui est tout de même proche du max du 912S (328 Nm), l'hélice pourrait avoir un pas relativement élevé et une force de traction suffisante, cela permettrait d'avoir une faible consommation aux faibles vitesses puisque le régime moteur est bas. En même temps, ce pas important pourrait quand même lui permettre d'atteindre des vitesses élevées ! (Au régime max continu de ces 2 moteurs, le Ecoboost réducté à 1,78 @ ~4250 rpm a le même couple que le 912S à 5500 rpm, mais il a plus de puissance : 100 hp à ~4250 rpm pour le Ecoboost, et 96,5 hp pour le 912S).
Est-ce que je phantasme ?

[Yankeeromeo]

N'exagérons pas, MYR : il n'y a pas des sottes questions !
Et même si parfois les réponses de "forumeurs" peuvent faire penser à un festival d'érudition, je suis sûr qu'ils veulent d'abord partager et d'apporter leur aide à celui qui pose la question. Alors, quand tu nous traites d'érudites, je le prends pour un compliment, même si j'y décèle un indubitable parfum d'ironie...

En revanche, tu nous a laissé courir avec ce titre "Régime de rotation idéal pour les hélices d'ULM ?" T'aurais dû appeler ce fil "Régime optimal pour une hélice entraînée par l'Ecoboost". Cela nous aurait éviter de s'épancher, comme nous avons l'habitude, sur tous les aspects de la question fleuve...
Quant au régime bas poussé à l'absurde, n'oublie pas que les hélices du Solar Impulse tournent, elles, à 400 tours/minute. Tandis que celles du Gossamer Condor de Paul MacCready tournaient à 107 trs/min... c'était en 1977 !
Le régime du Solar Impulse est évidemment possible grâce au couple élevé de moteurs électriques (quant aux hélices du Gossamer Condor, elles étaient entraînées par les muscles du pilote).

L'arrivée de moteur thermiques, comme Ecoboost, au couple bien plus élevé que jusqu'à présent (et je parie que ce ne sera pas le dernier), est évidemment une aubaine pour les ULM. Ce serait une aubaine pour tous les avions légers, s'il n'y avait pas l'EASA et ses réglementations sclérosantes...

Il faudrait donc convaincre les frères Trincal qu'ils prennent ce moteur dans leur atelier, et en fassent une version avionnée. Vu, ce qu'ils ont fait avec le Suzuki, ils sauront faire. Ce n'est qu'ensuite les héliciers pourront concevoir des hélices, capables d'exploiter tout le potentiel de couple/puissance de ce moteur.

[JETHRO]

Merci à tous pour ces réponses très érudites. Avant de passer à la suite, pardonnez ma naïveté et ma sottise svp. Je fais partie des gens qui n'ont pas peur de passer pour c.. ...

Toute question, même naïve, est respectable lorsque cette question conduit à une meilleure compréhension du sujet auquel elle se rapporte.
Le pire crétin est celui qui ne veut pas apprendre, et le pire connard est celui qui pontifie du haut d'un tout petit savoir parcellaire.

Ceci étant, ton questionnement porte sur un sujet particulièrement "tordu" : le très vaste sujet des hélices !

Déjà que tout ce qui touche à l'aérodynamique est hyper-difficile à appréhender (ça commence par les équations de Bernoulli, de Saint-Venant et de Navier-Stokes...), pour se complexifier encore avec ce qui touche les profils porteurs (Prandlt, Munk, théorie de la ligne porteuse, nappe tourbillonnaire de Kutta-Joukovski, etc., etc.), cela atteint un sommet avec les hélices, qui sont des profils porteurs gauchis...
Il suffit de se plonger dans un bouquin qui traîte d'aérodynamique pour se noyer vite-fait dans des considérations compliquées à base d'intégrales triples... sur des pages et des pages : mal au crâne garanti !

... Ma question qui porte sur le régime de rotation d'une hélice donc sur le taux de réduction ne concerne pas une utilisation avec un ULM précis. L'objectif est d'y comprendre quelque chose mais pas spécialement d'appliquer à un cas de profil aérodynamique de cellule d'ULM précis.

Je pense qu'il n'y a pas de régime de rotation idéal standard.
Tout dépend en fait de beaucoup de facteurs, et pour faire très-très simple (comme le dit plus haut YankeeRoméo) :

- La taille de l'hélice est le premier facteur à prendre en compte, parce que la dite hélice est soumise à une loi physique précise : la vitesse du son dans l'air.
Cette vitesse est de 340 mètres par seconde, dans l'air à 15° C à pression de 1013,25 hectopascals et à humidité relative comprise entre 45 et 70% (sauf erreur ou omission).
C'est la vitesse aussi appelée Mach 1.
Or, pour qu'une hélice présente de bonnes caractéristiques de rendement, il ne faut pas que sa vitesse circonférentielle soit supérieure à 0,7 de Mach, soit à 238 m/s : au delà, les performances se dégradent très vite, et le bruit et les vibrations générés deviennent épouvantables.
Comme c'est évidemment le bout de pale de l'hélice qui présente la vitesse circonférentielle la plus élevée, on se trouve non moins évidemment tributaire du couple vitesse de rotation-diamètre, liés par la formule V_circ = Pi.D.N/60 (avec V_circ en mètres par seconde, D en mètres, N en rpm).

- Deuxièmement, le diamètre de l'hélice est limité par le hauteur de la cellule porteuse au-dessus du sol, donc par la hauteur du train d'atterrissage, de façon à permettre une garde au sol convenable entre le bout de pale et le sol, en ligne de vol, amortisseur affaissé à fond, pneu à plat.
Un exemple bien connu : le fameux F4U-Corsair de Papy Boyington avait des ailes en W parce qu'alors, on ne savait pas réaliser des trains d'atterrissage suffisemment longs pour pouvoir utiliser l'hélice de 4 mètres de diamètre prévue pour bénéficier de toute la puissance du moteur... alors que quelques années plus tard, le F8F-Bearcat avait un train plus long mais des ailes à plat, avec un moteur encore plus puissant !

- Troisièmement, si le diamètre de l'hélice ainsi défini ne convient pas pour la puissance du moteur que l'on veut exploiter, il faut augmenter le nombre de pales : Les Spitfires prototypes étaient bipales, les premières séries : tripales, puis quadripales, enfin les derniers produits étaient quintipales...

- Quatrièmement, la vitesse de translation de l'aéronef intervient évidemment sur la vitesse circonférentielle d'extrémité de pale... selon la formule bien connue de ce bon vieux Pythagore : le carré de l'hypothénuse...

Pour rester concret et en revenir à mes moutons (c'est à dire au moteur Ecoboost dont les courbes sont affichées au dessus), je constate que pour une même puissance il y a un régime plus bas et un couple plus important que le Rotax qui est le moteur fétiche des ULMistes. Le Ecoboost semble donc avoir de meilleures potentialités, d'autant que la courbe de couple est parfaitement plate, et le couple max immédiatement atteint dès que l'on quitte le régime de ralenti.
Le 912S a un réducteur unique de 2,43. Cela donne un régime hélice max de 2 387 pour 5800 rpm moteur. Si on donnait ce même régime à l'hélice d'un Ecoboost (il faudrait une réduction de 1,78) il aurait certainement les mêmes performances que le 912S aux hauts régimes (~ même puissance, et ~ même couple compte tenu du taux de réduction du 912S). En revanche pour les régimes faibles (où il y a beaucoup de puissance chez le Ecoboost) on arriverait à un régime hélice très bas ! C'est pour cette raison que je m'interroge et vous interroge et que j'ai titré ce sujet : Régime de rotation idéal pour les hélices d'ULM ? Je connais bien l'adage "plus le régime hélice est bas, mieux, c'est", mais il y a forcément une limite. Pour raisonner par l'absurde : on ne peut pas faire tourner une hélice d'ULM à 60 tr/mn ...

Il faut ARRÊTER de se masturber l'encéphale avec la notion de couple.
Le couple est défini physiquement comme le produit d'une force (statique) par une longueur (C_pl=m.gamma.L, avec m en kilos, gamma= accélération de la pesanteur, L en mètre, on obtient C_pl en newtons.mètre).
C'est donc une valeur STATIQUE : un moteur arrêté présente un couple. Un écrou "torqué" présente un couple. Une bougie en place a été serrée à un couple bien précis. Rien ne bouge, ce ne sont que des valeurs statiques.
Et la simple physique de base nous apprend que pour faire bouger quelque chose à une certaine vitesse, il faut de la PUISSANCE, que l'on chiffre selon la formule P_w = C_pl.V (avec P_w en watts, C_pl en newtons.mètre, V en mètres par seconde).
Seule la puissance est une notion dynamique, et seule la PUISSANCE permet d'entraîner l'hélice.

Par ailleurs "plus le régime est bas,mieux c'est"... hum ! Certes, plus le régime de rotation est faible, plus faible est aussi la force d'arrachement exercée sur le pied de pale (et ça va vite, comme le carré de la vitesse de rotation), mais à puissance et vitesse de translation égales, cela implique un plus grand diamètre, ou plus de pales... et dans tous les cas un pas plus grand !

A titre d'exemple concret volontairement extrême : Pour une puissance très basse de ~ 45 hp ou 33 kW (mais qui cependant selon moi permettrait de faire tenir en l'air tous les ULM), on arriverait à un régime hélice de ~ 1000 rpm (!!!) pour 302 Nm avec le Ecoboost : qu'en pensez-vous ? est-ce exploitable ?

OUI et NON: Tout dépend du pas de l'hélice utilisée ET de la vitesse de translation de l'appareil, mais plus précisément de la plage de vitesses de translation pour laquelle ledit aéronef est prévu !
Si la plage de vitesses de translation dans laquelle doit évoluer l'aéronef considéré est étroite (partant du plancher légal de 65 km/h), soit par example de 65 à 120 km/h max, c'est tout-à-fait concevable.
Si la plage de vitesses de translation dans laquelle doit évoluer l'aéronef considéré est très large au contraire, soit par example de 65 à 250 km/h, ça ne jouera que si l'aéronef est équipé d'une hélice constant-speed, ou à tout le moins d'une hélice pas ajustable en vol.

Pour info, le bombardier B29 (superfortress) avait des hélices constant-speed quadripales de 5,15 m de diamètre, tournant à 980 rpm, entraînées par des moteurs de 2200 cv... et volait à plus de 400 km/h en régime de croisière !

De façon très très très intuitive, je me dis que même à un si faible régime, vu le couple (302 Nm) qui est tout de même proche du max du 912S (328 Nm), l'hélice pourrait avoir un pas relativement élevé et une force de traction suffisante, cela permettrait d'avoir une faible consommation aux faibles vitesses puisque le régime moteur est bas. En même temps, ce pas important pourrait quand même lui permettre d'atteindre des vitesses élevées ! (Au régime max continu de ces 2 moteurs, le Ecoboost réducté à 1,78 @ ~4250 rpm a le même couple que le 912S à 5500 rpm, mais il a plus de puissance : 100 hp à ~4250 rpm pour le Ecoboost, et 96,5 hp pour le 912S).
Est-ce que je phantasme ?

Oui, c'est un fantasme (ou phantasme, les deux écritures sont acceptées ) : si un pas élevé pour une faible vitesse de rotation peut permettre le vol à faible vitesse de translation, ce pas beaucoup trop élevé pour une forte vitesse de rotation ne permettra même pas d'atteindre la vitesse de rotation pour laquelle le moteur délivrerait sa meilleure puissance en vue d'obteni une vitesse de translation beaucoup plus élevée.
Cette hélice freinera beaucoup trop le moteur, et étant pratiquement totalement en décrochage, ne procurera pratiquement pas ou peu de traction, d'où un rendement ridicule !
Voir ma réponse ci-dessus : hors du pas variable, point de salut !

Cordialement,

[PapaMike]

Explication très didactique.
Même moi je pense avoir compris. Chapeau
+1

[JETHRO]

Aïe !
Je risque de me faire étripper...

Me relisant après diffusion, je m'aperçois qu'il manque à mon texte un codicille, que je préfère publier en dehors de mon précédent message pour ne point le surcharger : Il me faut tempérer un peu ce message en précisant qu'il existe des hélices dites "aéro-élastiques", qui présenteraient une adaptation du pas en fonction des vitesses de rotation ET de translation, et qui, ce faisant, permettraient une meeilleure adaptation dans les phases de vol extrêmes (de très lent à très rapide)... sans nécessiter (peut-être) de pas ajustable, variable ou constant-speed.
Dans quelles proportions, je l'ignore.
Pour quel avantage par rapport à une hélice standard fixe, je l'ignore aussi.
C'est un peu pourquoi, n'ayant pas encore essayé ce genre d'hélice, je demeure pour l'instant prudent en la matière, me bornant à exposer ce que je connais...

J'en profite pour adresser un petit à qui de droit pour souhaiter un tableau comparatif de caractéristiques d'hélices normales vs aéro-élastiques, ce qui intéresserait sûrement beaucoup d'Ulmistes...


Admin :

J'en profite pour adresser un petit à qui de droit pour souhaiter un tableau comparatif de caractéristiques d'hélices normales vs aéro-élastiques, ce qui intéresserait sûrement beaucoup d'Ulmistes...

Notre prestataire informatique agit selon ses disponibilités et en fonction des maigres rétributions qui lui sont versées. De plus, il faut acheter un logiciel 'tableau' dont le prix n'est pas maigre. Ce forum contiendra un de ces jours un peu de pub pour permettre certains financements. Pour installer de la pub qui permet de financer, il faut que l'informaticien (quasi bénévole) ait le temps ...
Donc, on attend

[Yankeeromeo]

Cher Jethro,
Pour ne plus l'ignorer, il faudrait que tu te décides de les essayer enfin !!!
Qui aures habet, audiat. Qui potest capere, ...

[JETHRO]

Je le craignais bien, que j'allais me faire tapper sur les doigts !
J'entends, et je peux comprendre. Pas de soucis. Mais je suis un peu comme un Saint célèbre, j'aime posséder l'expérience et la certitude...
Mais rassures-toi, ami YR, Nulla tenaci invia est via, et je progresse gaillardement dans le domaine de la connaissance en suivant mes propres cheminements... sois tranquille, les temps s'accompliront !

Bien amicalement,

[JETHRO]

Hi, Admin,
Je suis désolé que tu te sois senti titillé par mon petit clin d'œil : il ne t'était aucunement destiné, mais bien adressé a l'attention d'un mien ami, lequel s'est forcément reconnu, lui qui est un pourfendeur émérite et valeureux d'hélices fixes, lui qui en connaît un grand bout dans les hélices "aéro-élastiques", lui qui s'est livré à moultes bassesses pour m'en vendre une (on en rigole encore, des années après), et qui trépigne d'impatience dans l'attente d'essais de tels engins que j'ai promis d'effectuer un de ces jours...

Bien amicalement, et bien joyeusement ,

Salut !
Une interprétation de ma part, était que tu souhaitais pouvoir faire des tableaux dans le forum (tu l'avais souhaité par le passé, je pensais que tu réitérais la demande à mots couverts).
Quant à être titillé : rien du tout Mes excuses de m'être trompé !
Cela dit, le projet de tableau n'est pas passé à la trappe. C'est une simple question de temps ...
Bien amicalement.
Admin

[Yankeeromeo]

Bien sûr que je me suis reconnu !
Mais il faut nécessairement que j'apporte deux précisions :
- D'abord, je ne suis nullement un pourfendeur des hélices à pas fixe, bien au contraire !
Il est même certain pour moi, que l'on peut obtenir le meilleur résultat, en concevant une hélice dans un but précis, pour un aéronef donné, et pour un moteur donné. Une telle hélice, conçue pour un environnement bien précis, aurait probablement (à toutes les autres circonstances égales, comme, par exemple le talent du concepteur) la meilleure performance. Évidemment, ce n'est qu'une possibilité...
Hélas, la technologie très performante de composites synthétiques (le bois étant un composite naturel) exclu une production à l'unité. Il faut faire des outils, des moules, et si cela est possible pour des grandes commandes d'avions fabriqués en série et coûtant fort cher à l'unité, c'est bien moins envisageable dans le monde de l'aviation de loisir.
Pour y remédier, tous les concepteurs d'hélices en composites utilisent la même parade : l'angle d'attaque de pale est réglable au sol, et l'hélice peut ainsi couvrir un nombre d'applications plus ou moins grand. Mais cela ne disqualifie nullement les hélices à pas fixe, c'est un problème d'ordre plutôt économique que technique.

- Deuxio, je n'ai me suis jamais livré à des bassesses pour t'en vendre une ! Je te l'ai même proposée gratuitement...
Tu es un ingrat, mon Jethro !!!

En revanche, si tu en essayais une, ça m'arrangerais, car en te connaissant un peu, je sais que tu serais tout de suite venu pour partager tes observations, tes opinions, et tes critiques.
Or, une opinion qui n'émane pas du fabricant, ni de son représentant, ou autre vendeur, est à priori moins subjective...