Caractérisation de l'hélice : Variations du pas, du diamètre et du nombre de lame sur la performance

Source : Shreyas Narsipur, Génie mécanique et aérospatial, North Carolina State University, Raleigh, Caroline du Nord

Une hélice est un aéroglisseur tordu, où l'angle de l'accord change par rapport à l'emplacement, le long de la station radiale, comme le montre la figure 1. Les hélices sont largement utilisées dans les systèmes de propulsion d'aéronefs et de motomarines, ce qui entraîne des caractérisations détaillées des hélices pour concevoir des véhicules de haute performance.

Figure 1. Chord, épaisseur et hauteur à une station radiale.

Une des caractéristiques déterminantes d'une hélice est le tangage/twist. Le pas de l'hélice, généralement donné en unités de longueur, est la distance théorique de l'hélice va voyager dans les airs en une seule révolution. Cependant, en raison de la force de traînée sur l'avion et l'hélice, l'hélice ne parcourt jamais sa distance théorique. La distance réelle parcourue est appelée la hauteur efficace de l'hélice, et la différence entre la hauteur théorique ou géométrique et la hauteur efficace est appelée glissement de l'hélice, comme l'illustre la figure 2.

Figure 2. Représentation de la hauteur et du glissement.

Dans cette démonstration, sept hélices sont caractérisées à l'aide d'une plate-forme d'essai d'hélice dans une soufflerie subsonique. Elle est suivie d'une étude paramétrique détaillée pour analyser les effets des variations de hauteur, de diamètre et de nombre de pales sur les performances de l'hélice.

Il existe deux types d'hélices principales : la hauteur fixe et la hauteur variable. Les hélices à pas fixe sont conçues pour une condition de fonctionnement optimale et sont efficaces; ils ont un rapport puissance haute de puissance/entrée de puissance pour une vitesse et un RPM donnés, qui dans la plupart des cas est les conditions de croisière d'avion. Cependant, au décollage et à l'atterrissage, lorsque le régime et la vitesse sont plus faibles, l'hélice à tangage fixe est très inefficace. Les pales d'hélice à pas variable offrent une solution au problème de tangage fixe en permettant au pilote de modifier la hauteur de l'hélice afin de maximiser l'efficacité de l'hélice pour n'importe quelle condition de fonctionnement. C'est pour cette raison que dans les gros avions à hélice, où l'efficacité énergétique est un facteur dominant, des hélices à pas variable sont utilisées pour maximiser l'efficacité.

Le rapport avancé, le coefficient de poussée, le coefficient de couple, le coefficient de puissance et l'efficacité de l'hélice sont d'importants paramètres non dimensionnels nécessaires pour caractériser une hélice. Sur la base de ces paramètres, les régimes de l'hélice, du frein à air et du moulin à vent, qui sont les différents régimes de fonctionnement d'une hélice, peuvent être identifiés. Dans le régime de l'hélice, l'hélice produit une poussée et un couple positifs. Le régime de frein à air commence lorsque la poussée devient négative tandis que le couple reste positif. Dans ce régime, l'hélice ralentit le système. Enfin, lorsque la poussée et le couple descendent en dessous de zéro, l'hélice est dans le régime du moulin à vent. Ici, le flux d'air contrôle l'hélice car elle produit des forces sur l'hélice dont le moteur/moteur conduisant l'hélice ne peut pas surmonter. L'efficacité de l'hélice n'a aucun sens au-delà de la région de l'hélice.

Il est toujours souhaitable d'utiliser l'hélice dans le régime d'hélice à haut rendement pour une vitesse et un régime de rPM donnés. Comme nous l'avons mentionné précédemment, les hélices à tangage fixe sont généralement conçues pour fonctionner à leur plus grande efficacité pendant le vol de croisière, et bien qu'elles puissent fonctionner à des vitesses plus faibles, comme pendant le décollage et l'atterrissage, l'efficacité est très faible. Les hélices à pas variable peuvent être ajustées afin d'obtenir les gains d'efficacité les plus élevés possibles dans le régime de l'hélice en fonction du régime de vol (décollage, croisière ou atterrissage), maximisant ainsi l'efficacité énergétique de l'avion.

En plus de la hauteur de l'hélice, le nombre de pales d'hélice joue un rôle important dans le réglage de la poussée disponible à partir de l'hélice. En général, s'il y a des contraintes de conception sur le diamètre ou la hauteur de l'hélice, l'augmentation du nombre de pales peut augmenter la quantité de poussée produite. Cependant, la poussée supplémentaire peut venir au coût de l'efficacité de l'hélice, nécessitant la nécessité d'une analyse détaillée.

Le rapport avancé, J, qui est un paramètre pour normaliser la vitesse du courant libre (V₎sur le taux d'hélice de rotation (n) et le diamètre (D), est donné par l'équation suivante:

La vitesse d'écoulement en cours libre peut être mesurée à l'aide de l'équation :

où est la densité du courant libre.

Le coefficient de poussée, C_T, est une mesure non dimensionnelle de la poussée de l'hélice, T, et est donné par l'équation:

De même, le couple, C_Q, et la puissance, C_P, coefficients, les mesures non dimensionnelles du couple d'hélice et la puissance de sortie, respectivement, sont donnés par les équations:

où est le couple et P est la puissance fournie au moteur Sans brosse DC pour faire fonctionner l'hélice. La puissance, P, peut être calculée comme le produit de la tension, V, et le courant, I:

Enfin, l'efficacité de l'hélice peut être exprimée comme :

1. Mesurer les caractéristiques de l'hélice dans une soufflerie subsonique

1. Installez la plate-forme d'essai de l'hélice dans la soufflerie subsonique à l'aide d'une monture à 4 axes, comme le montre la figure 3. Une soufflerie avec une section d'essai de 2,6 pi x 3,7 pi et un réglage de pression dynamique maximale de 25 psf a été utilisée dans cette démonstration.

Figure 3. Plate-forme d'hélice. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

2. Fixez une cellule de charge à 6 axes à la plate-forme. Ceci sera utilisé pour mesurer la poussée et le couple.
3. Fixez un moteur DC sans brosse sur la plate-forme, puis attachez la première hélice.
4. Connectez le moteur DC au contrôleur de vitesse électronique et au générateur de signal modulé à largeur pulsée, qui contrôle la vitesse du moteur.
5. Connectez un analyseur de puissance, qui mesurera le courant et la tension fournis au moteur, et le connectera à une batterie de polymère de lithium.
6. Utilisez un niveau d'esprit pour vous assurer que la configuration à hélice de piqûre est alignée dans la direction du flux avec zéro pas et zéro lacet.
7. Sécurisez les portes du tunnel-souffle et allumez la puissance principale.
8. Allumez la soufflerie, puis allumez le générateur de signal et le système d'acquisition de données de cellules de charge.
9. Zéro les forces sur la cellule de charge à l'aide d'un logiciel d'instrument virtuel.
10. Définir le générateur de signal pour faire fonctionner le moteur à 10% de la manette des gaz.
11. Commencez à enregistrer une lecture à zéro avec la soufflerie éteinte. Enregistrez la vitesse suivante :
    a. Caractéristiques de l'hélice - nombre de pales, diamètre de l'hélice (dans), et hauteur de l'hélice (dans).
    b. Vitesse (en pourcentage de la manette des gaz) basée sur la configuration du générateur de signal.
    c. Pression dynamique (psf) du transducteur de soufflerie.
    d. Tension (V) et courant (A) fourni au moteur BLDC à partir de l'analyseur de puissance.
    e. Poussée (lb) et couple (en lb) de la cellule de charge.
    f. Propeller RPM (rotations par minute). Notez que la lecture RPM ne peut être extraite qu'à la fin de l'expérience.
12. Allumez la soufflerie et variez la pression dynamique de 0 psf à 10 psf en étapes de 0,5 psf.
13. À chaque réglage, permettre à la soufflerie de se stabiliser, puis enregistrer les mêmes données que énumérées ci-dessus.
14. Continuer à augmenter le réglage de pression dynamique par incréments de 0,5 psf jusqu'à un réglage de pression dynamique à laquelle la poussée et le couple deviennent négatifs. Enregistrez toutes les données à chaque incrément.
15. Remettre la pression dynamique du tunnel à zéro et éteindre la soufflerie
16. Fixez la vitesse du moteur à 50 % de la manette des gaz et répétez les étapes 1,11 à 1,15.
17. Fixez la vitesse du moteur à 100% de la manette des gaz et répétez les étapes 1.11 - 1.15.
18. Répétez la procédure ci-dessus pour toutes les hélices, en veillant à tester des vitesses de 10%, 50% et 100% étrangler jusqu'à une pression dynamique où la poussée et le couple deviennent négatifs.
19. Lorsque tous les tests sont terminés, branchez le contrôleur de vitesse électronique à la trousse de programmation, enregistrez toutes les données rPM de l'hélice.
20. Arrêtez tous les systèmes.

Tableau 1. Hélices testées.

Propeller Diameter x Pitch (entre)	- de Lames	tissu
18 x 8	2	Apc
16 x 8	2	Apc
15 x 8	2	Apc
15 x 10	2	Apc
15 x 12	2	Apc
18 x 8	2	bois
18 x 8	4	bois

Notez que les hélices à pas fixe utilisées dans cette étude sont définies par leur diamètre et leur hauteur en pouces. Par exemple, une hélice de 18 x 8 est une hélice de 18 de diamètre avec une hauteur géométrique de 8 po.

Une densité de courant libre, :0,074 lb/pi³, a été utilisée pour déterminer les résultats. La variation des coefficients de poussée, de couple, de puissance et d'efficacité de l'hélice pour l'hélice à deux pales 18 x 8 est indiquée dans la figure 4. Les régions de l'hélice, du frein à air et du moulin à vent sont délimitées. L'hélice à deux pales, 18 x 8, produit une poussée positive jusqu'à un rapport avancé de 0,6 après quoi elle passe à la région de frein à air jusqu'à J 0,85. À ce moment-là, l'hélice commence à produire un couple négatif et se comporte comme un moulin à vent. L'hélice atteint sa plus grande efficacité à J 0,4.

Figure 4. Caractéristiques d'une hélice à deux lames, 18 x 8.

Les figures 5-7 comparent les comportements C_T, C_Q, C_P, et les comportements pour les hélices avec des variations de diamètre, de hauteur et de nombre de pales, respectivement. Comme le montre la figure 5, le diamètre de l'hélice variable tout en gardant le nombre de pales et la hauteur de l'hélice une constante a eu un effet négligeable sur l'efficacité de l'hélice, . Cependant, le C_T, C_Q, et C_P pour un rapport avancé donné, J, a légèrement augmenté avec le diamètre de l'hélice décroissante.

Figure 5. Comparaison des caractéristiques des hélices de diamètre variable. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La variation de la hauteur de l'hélice a eu une incidence importante sur tous les paramètres, comme le montre la figure 6. En général, une hélice à hauteur élevée produit plus de poussée, de couple et de puissance pour un rapport avancé donné par rapport à une hélice à faible pas. L'augmentation de la hauteur de l'hélice a également augmenté la portée de la région de l'hélice, c'est-à-dire la grande région de poussée positive et de couple. Enfin, l'efficacité maximale de fonctionnement s'est produite à un ratio avancé plus élevé à mesure que la hauteur de l'hélice augmentait.

Figure 6. Comparaison des caractéristiques des hélices dont la hauteur varie. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La figure 7 montre que le doublement du nombre de lames entraîne une poussée et un couple beaucoup plus élevés. Bien que la région de l'hélice soit similaire, l'hélice à quatre pales commence à se comporter comme un moulin à vent à un rapport avancé plus élevé par rapport à l'hélice à deux pales. De plus, l'hélice à deux pales est légèrement plus efficace que son homologue à quatre pales.

Figure 7. Comparaison des caractéristiques des hélices dont le nombre de pales varie. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Les hélices sont utilisées pour alimenter les petits avions et fournir une méthode simple pour fournir la poussée. Ils peuvent être fixés à un moteur électrique ou de réciproculage, où ils convertissent la vitesse de rotation en poussée pour la propulsion. Dans cette démonstration, sept hélices avec la hauteur, le diamètre, et le nombre variables de pales ont été caractérisés utilisant une plate-forme d'essai d'hélice montée dans une soufflerie subsonique. Pour chaque hélice, les régions d'action de l'hélice, du frein à air et du moulin à vent ont été identifiées. Une étude paramétrique menée pour étudier les effets du diamètre de l'hélice a montré une légère diminution de la poussée et du couple avec un diamètre décroissant. Cependant, la hauteur de l'hélice a un effet significatif sur les caractéristiques de poussée et de couple avec des hélices à hauteur de tangage ayant un net avantage. En outre, l'étendue de la région de l'hélice diminue avec la hauteur décroissante. Enfin, l'augmentation du nombre de pales augmente la poussée, le couple et la puissance avec une légère diminution de l'efficacité de l'hélice.

La sélection du système de propulsion approprié (combinaison moteur/moteur-hélice) pour les aéronefs ou les motomarines est nécessaire pour atteindre un véhicule aérien ou aquatique performant et efficace. Des données détaillées sur les caractéristiques de l'hélice fournissent aux ingénieurs un moyen précis d'évaluer les paramètres de performance en vol à toutes les vitesses de fonctionnement de l'avion ou de la motomarine afin de déterminer correctement le système de propulsion optimal.