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

Les hélices sont largement utilisées dans de nombreux types d’avions pour la propulsion et la génération de poussée, et doivent donc être soigneusement conçues et caractérisées. Une hélice est essentiellement un profil aérodynamique tordu, où l’angle de la corde change radialement. L’une des caractéristiques déterminantes de l’hélice est le pas, ou sa torsion.

Le pas de l’hélice est généralement donné en unités de longueur et est la distance théorique que l’hélice parcourra dans l’air en un seul tour. 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 le pas effectif de l’hélice. La différence entre le pas théorique et le pas effectif s’appelle le glissement de l’hélice.

Lorsque nous décrivons les hélices, nous parlons également de poussée, de couple et de puissance, qui sont caractérisés par leurs coefficients sans dimension respectifs. Ici, T est la poussée, tau est le couple, P est l’alimentation du moteur, rho est la densité du flux libre, n est le taux de rotation de l’hélice et D est le diamètre de l’hélice. Il est important de noter que nous définissons également l’efficacité d’une hélice. Ceci est calculé à l’aide des coefficients de couple et de poussée ainsi que du rapport avancé J, qui normalise la vitesse du flux libre à la rotation et au diamètre de l’hélice. À l’aide de ces valeurs sans dimension, nous pouvons déterminer comment une hélice fonctionne dans différentes conditions.

Dans le régime de l’hélice, l’hélice produit une poussée et un couple positifs. Le régime des freins à air commence lorsque la poussée devient négative, tandis que le couple reste positif. Dans ce régime, l’hélice ralentit le système plutôt que de fournir un mouvement positif vers l’avant. Lorsque la poussée et le couple tombent tous deux en dessous de zéro, l’hélice est en régime d’éolienne. Ici, le flux d’air contrôle l’hélice, car il produit des forces sur l’hélice que le moteur entraînant l’hélice ne peut pas surmonter.

Il est important de noter qu’au-delà du régime de l’hélice, le calcul de l’efficacité de l’hélice n’a pas de sens. Il est toujours souhaitable de faire fonctionner l’hélice dans le régime de l’hélice à haut rendement pour une vitesse et un régime donnés. Pour les hélices à pas fixe, cela peut être difficile car les hélices à pas fixe sont conçues pour une condition de fonctionnement optimale et sont généralement plus efficaces dans des conditions de croisière et inefficaces au décollage et à l’atterrissage.

Une façon d’améliorer le fonctionnement, surtout s’il n’y a pas de contraintes sur le diamètre ou le pas de l’hélice, est d’augmenter le nombre de pales. Cela peut augmenter la quantité de poussée. Cependant, cela se fait au prix d’une efficacité inférieure de l’hélice. Dans cette expérience, nous allons caractériser plusieurs hélices différentes et déterminer l’effet du pas, du diamètre et du nombre de pales sur les performances.

Dans cette expérience, nous examinerons les caractéristiques de l’hélice dans une soufflerie subsonique à l’aide d’une série de cinq APC et de deux hélices en bois de diamètre, de pas et de nombre de pales variables.

Pour commencer, installez le banc d’essai de l’hélice à l’intérieur de la soufflerie à l’aide d’un support d’infiltration à quatre axes pour maintenir les composants du banc d’essai de l’hélice. Un capteur de pesage à six axes est utilisé pour mesurer la poussée et le couple. Fixez le capteur de charge à la plate-forme, fixez le moteur à courant continu sans balais, qui alimente l’hélice, puis fixez la première hélice.

Maintenant, connectez le moteur à courant continu sans balais au régulateur de vitesse électronique et au générateur de signaux modulés en largeur d’impulsion, qui contrôle la vitesse du moteur. Connectez également le moteur à un analyseur de puissance pour mesurer la tension et le courant fournis. Ensuite, connectez-le et le moteur à courant continu sans balais à une batterie au lithium-polymère.

Une fois la configuration complètement assemblée, utilisez un niveau à bulle pour vous assurer que la configuration de l’hélice Sting est alignée dans la direction du flux d’air sans aucun tangage ni lacet. Sécurisez ensuite les portes de la soufflerie, allumez l’alimentation principale et allumez la soufflerie. Ensuite, allumez le générateur de signaux et le système d’acquisition de données du capteur de pesage.

Avant de commencer les essais, notez les caractéristiques de l’hélice dans votre feuille de calcul, y compris le nombre de pales de l’hélice, le diamètre et le pas. Maintenant, mettez à zéro les forces exercées sur le capteur de charge à l’aide du logiciel d’acquisition de données sur l’ordinateur de la soufflerie. Ensuite, réglez le générateur de signaux pour qu’il fasse fonctionner le moteur à 10 % de l’accélérateur.

Commencez par enregistrer une lecture zéro avec la soufflerie éteinte. Enregistrez la vitesse en termes de pourcentage de l’accélérateur et de pression dynamique de la sonde de soufflerie. Notez également la tension et le courant fournis au moteur par l’analyseur de puissance, ainsi que la poussée et le couple mesurés par la cellule de charge.

Maintenant, allumez la soufflerie et augmentez la pression dynamique à 0,5 psf. Laissez le temps à la soufflerie de se stabiliser, puis enregistrez toutes les données. Continuez à augmenter le réglage de la pression dynamique par incréments de 0,5 psf jusqu’à un réglage de pression dynamique auquel la poussée et le couple deviennent négatifs.

Enregistrez toutes les données à chaque incrément. Une fois que les mesures de poussée et de couple sont négatives, remettez la pression dynamique à zéro et éteignez la soufflerie. Augmentez ensuite la vitesse du moteur à 50 % à l’aide du générateur de signaux. Prenez la mesure du zéro, en enregistrant toutes les données avec la soufflerie éteinte. Ensuite, allumez la soufflerie et réglez la lecture de pression dynamique sur 0,5 psf. Enregistrez ensuite toutes les données.

Répétez les mesures comme précédemment par incréments de 0. 5 psf jusqu’à une lecture de pression dynamique où le couple et la poussée deviennent négatifs. Ensuite, remettez la pression dynamique à zéro, éteignez la soufflerie et augmentez la vitesse de l’hélice à 100 % de l’accélérateur. Enregistrez la mesure du zéro avec la soufflerie éteinte, puis répétez les tests jusqu’à une pression dynamique où le couple et la poussée deviennent négatifs.

Répétez ces tests pour toutes les hélices, en vous assurant de tester des vitesses de 10 %, 50 % et 100 % des gaz pour chaque hélice jusqu’à une pression dynamique où la poussée et le couple deviennent négatifs. Une fois tous les tests terminés, branchez le régulateur de vitesse électronique dans le kit de programmation et enregistrez toutes les données de régime de l’hélice. Arrêtez ensuite tous les systèmes.

Pour évaluer les résultats de l’expérience, nous allons d’abord calculer le coefficient de poussée, CT, en utilisant la poussée de l’hélice, le taux de rotation, le diamètre et la densité du flux libre. Nous pouvons également calculer les coefficients de couple et de puissance, CQ et CP, respectivement. Rappelons que tau est le couple de l’hélice et P est la puissance fournie au moteur à courant continu et est calculé comme le produit de la tension et du courant.

Enfin, nous pouvons calculer le rapport avancé J, afin de normaliser la vitesse du flux libre à la vitesse de rotation et au diamètre de l’hélice. Le taux de rotation est le nombre de rotations par minute qui a été enregistré pendant l’expérience, divisé par 60. La vitesse du flux libre est calculée à l’aide de la pression dynamique, que nous avons contrôlée dans la soufflerie. Ensuite, l’efficacité de l’hélice peut être calculée.

Maintenant, traçons les trois coefficients et l’efficacité en fonction du rapport avancé, J, pour l’une des hélices. Ici, nous montrons les données d’une hélice bipale de 18 pouces de diamètre et de 8 pouces. L’hélice produit une poussée positive jusqu’à un rapport avancé de 0,6, où elle passe ensuite à la région des aérofreins. La région des freins à air commence lorsque la poussée devient négative, tandis que le couple reste positif. Dans cette région, l’hélice ralentit le système.

Après un rapport avancé de 0,85, l’hélice produit un couple négatif et se comporte comme un moulin à vent. Ici, le flux d’air produit des forces sur l’hélice que le moteur entraînant l’hélice ne peut pas surmonter. Notez que l’efficacité de l’hélice est la plus élevée à J est égal à 0,4 et n’a aucun sens au-delà de la région de l’hélice.

Voyons maintenant comment faire varier le diamètre de l’hélice, tout en gardant le nombre de pales et le pas de l’hélice constants. Nous pouvons voir que le changement de diamètre a un effet négligeable sur l’efficacité. Cependant, les trois coefficients augmentent légèrement avec la diminution du diamètre de l’hélice.

Ensuite, nous comparerons l’effet d’un pas d’hélice varié, tout en maintenant un diamètre d’hélice et un nombre de pales constants. Nous constatons qu’en général, une hélice à grand pas produit plus de poussée, de couple et de puissance pour un rapport avancé donné par rapport à une hélice à petit pas. L’augmentation du pas de l’hélice augmente également la portée de la région de l’hélice. Nous constatons que l’efficacité de fonctionnement maximale se produit à un rapport avancé plus élevé à mesure que le pas de l’hélice augmente.

Enfin, nous comparerons l’effet du nombre de pales, tout en maintenant un diamètre et un pas constants de l’hélice. Nous pouvons voir que le doublement du nombre de pales entraîne une poussée et un couple nettement plus élevés. Bien que l’étendue de 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. On peut également observer que l’hélice bipale est légèrement plus efficace que son homologue à quatre pales.

En résumé, nous avons appris les différents régimes de fonctionnement des hélices et comment le pas affecte l’efficacité de l’hélice. Nous avons ensuite caractérisé 7 hélices dans une soufflerie subsonique pour analyser les effets du pas, du diamètre et du nombre de pales sur les performances de l’hélice.