Les moteurs et les hélices

Silverstar

CONTROLEUR AERIEN
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La propulsion est obtenue en créant une force, appelée poussée, qui résulte de laccélération d'une masse d'air par une hélice ou par un turboréacteur.

La plupart des moteurs à  piston entraînent une hélice et sont utilisés sur la quasi-totalité des avions légers. Ils ont été supplanté par le turbomoteur pour les hélicoptères. Plus tard le moteur à  piston a donné n'aissance à  des dérivés comme le turbopropulseur ou le turboréacteur appelé aussi turbofan, utilisés sur tous les avions lourds ou rapides, civils et militaires.

Les hélices carénées, les turbopropulseurs et les turboréacteurs sont des dispositifs intermédiaires entre lhélice et le statoréacteur. La post-combustion peut être considérée comme lassociation d'un turboréacteur et d'un statoréacteur. Le moteur-fusée peut être considéré comme un statoréacteur qui réalise en interne son mélange comburant + carburant.

Maintenant que la théorie a été vu on va rentrer dans le vif du sujet ;)

Le moteur à  pistons

Les moteurs d'avions légers fonctionnent pour la plupart comme un moteur de voiture, il transforme un mouvement de va et vient des pistons en mouvement rotatif.

Un moteur à  pistons est constitué de :

  • un cylindre qui est fermé par une culasse dans lequel s'effectue le mouvement de va et vient. Peut être en ligne, à  plat, en V ou en étoile/radial.
  • un conduit dadmission qui permet l'arrivée du mélange air/essence
  • une soupape dadmission qui permet l'alimentation en mélange air/essence dans le cylindre
  • une soupape déchappement qui permet lévacuation des gaz brulés vers le conduit déchappement
  • un conduit déchappement qui permet dévacuer les gazs brulés vers lextérieur
  • un piston qui transforme lenergie dégagé par la combustion du carburant en mouvement de va et vient
  • une bielle qui permet la transformation du mouvement de va et vient du piston en mouvement rotatif
  • un vilebrequin qui tourne sur lui même transformant ainsi le mouvement des pistons en mouvement de rotation
  • une bougie qui produit une étincelle pour enflammer le mélange air/essence repoussant ainsi le piston, initiant le mouvement
  • un maneton qui assure la liaison pivot avec la bielle
  • un carter qui protège l'ensemble (vilebrequin, maneton, bielle) dans une enveloppe étanche baigner dans un lubrifiant
  • un filtre à  air pour éviter que les poussières pénètrent dans le cylindre

Quil soit à  4 temps ou à  2 temps le principe reste le même :
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  1. Ladmission d'un mélange air/essence via le conduit dadmission, ajouter à  cela, un carburateur, qui permettra de doser l'arrivée dessence et d'air puis ouverture de la soupape dadmission et descente du piston, ce dernier aspire ce mélange dans le cylindre.
  2. La compression crée une énergie pour déplacer le piston, le mélange air/essence est comprimé entre la tête du piston et le haut du cylindre (la culasse).
  3. La combustion qui au contact d'une étincelle provoquée par une bougie provoquera limplosion, repoussant ainsi le piston et initiant le mouvement de va et vient. Le piston a un mouvement alternatif, de haut en bas, ce déplacement est transformé en mouvement rotatif, par lintermédiaire de la bielle et du vilebrequin.
  4. Léchappement se produit lorsque le piston remonte avec la soupape déchappement ouverte et pousse ainsi les gaz brulés vers lextérieur.

Moteur diesel

Au niveau du carburant il existe des moteurs diesel le DA40-TDI par exemple car il sont économes et en cas daccident ce carburant senflamme moins vite que lessence, les coûts sont réduits du faite de l'absence de bougies, sauf pour lallumage bien sur dans ce cas comme sur une voiture on utilise des bougies de préchauffage. A la différence de lessence le mélange senflamme seul (sans bougie) presque immédiatement. En brûlant, il augmente fortement la température et la pression, repoussant le piston qui fournit le travail sur la bielle. Une autre différence est l'arrivée du carburant, seul l'air passe par la soupape dadmission, le gazole est lui injecté sous haute pression par un injecteur dans la chambre de combustion.

Le refroidissement

Chaque moteur possède une température optimale de fonctionnement (environ 80 °C pour les moteurs d'avion). Afin de ne pas dépasser cette température, les moteurs doivent être munis d'un système de refroidissement. La plupart des avions légers sont refroidis par air, solution la plus simple et la plus légère. àcet effet les cylindres sont munis dailettes qui augmentent la surface de contact entre l'air et le métal. Les capots sont également conçus afin d'améliorer lécoulement de l'air autour du moteur.

Pour certains avions, notamment ceux munis de moteurs à  6 cylindres, le constructeur a monté des volets de capot (cowl flaps) qui peuvent être ouverts ou fermés par le pilote, et dont le rôle est d'améliorer le refroidissement des deux derniers cylindres.
Ces volets de capot doivent être ouverts lorsque les conditions de surchauffe sont réunies (forte puissance et faible vitesse, montée, en particulier à  pente max. et température extérieure élevée) et fermés lorsque la température moteur risque de chuter (descente). En croisière, la position intermédiaire permettra de maintenir une température optimale.

Afin de contrôler la température de son moteur le pilote dispose de deux instruments :

  • La température dhuile qui reflète la température de l'ensemble du moteur. Avec un plage verte le fonctionnement normal. Ne pas entreprendre le décollage tant que cette plage n'est pas atteinte. Avec une plage rouge il y a une surchauffe.
  • La température cylindre qui est la température du métal à  proximité de la chambre de combustion. La principale différence avec la température dhuile réside dans le fait que la variation de température est instantanée. Cette indication est très utile pour gérer des volets de capot.

En cas de surchauffe :

  • contrôler la pression dhuile,
  • ouvrir les volets de capot,
  • stopper la montée,
  • réduire la puissance,
  • contrôler la richesse du mélange (trop pauvre ?).

La lubrification

La lubrification des moteurs permet de réduire au maximum les frottements entre les pièces en mouvement afin de limiter leur échauffement et leur usure (fonction de lubrification), participer au refroidissement du moteur puisque lhuile véhicule des calories qui sont évacuées par le radiateur dhuile, et évacuer les impuretés qui sont filtrées par le filtre à  huile.

Le réservoir contenant lhuile est généralement constitué par le carter du moteur. Cependant, il peut y avoir un
réservoir dhuile séparé dans le cas de lubrification par carter sec.

Lhuile est prélevée dans le carter par la pompe à  huile elle-même entraînée par le moteur. Elle chemine ensuite par le filtre à  huile puis dans un réseau de canalisations qui la conduit aux points du moteur devant être lubrifiés. Elle est ensuite ramenée au carter où elle sera refroidie par lécoulement de l'air. On trouve parfois un radiateur dhuile.
Lors de la visite pré-vol, le pilote doit vérifier le niveau dhuile à  laide de la jauge. C'est une tige métallique graduée qui trempe dans le carter et permet de mesurer la hauteur dhuile dans ce dernier.

En vol, le pilote dispose d'un thermomètre qui mesure la température de lhuile et reflète la température de ensemble du moteur. La burette gravée sur linstrument indique qu'il sagit dhuile et le sigle (°C) de température. Et d'un manomètre qui indique la pression (bar) dhuile (représentée par une burette).

Les valeurs de fonctionnement normal de pression et de température sont représentées par la plage verte. Si linstrument est dépourvu de plages, l'aiguille doit être verticale. Des valeurs chiffrées sont données dans le manuel de vol.

Lallumage

La magnéto est un organe totalement autonome qui ne nécessite, en effet, aucune source délectricité externe pour son fonctionnement. Elle est entraînée mécaniquement par le moteur afin de fabriquer le courant quelle va ensuite répartir entre les différentes bougies afin que lallumage se produise juste avant le P.M.H (Point Mort Haut).

Cette conception confère un énorme avantage à  la magnéto en termes de sécurité car même si toutes les ressources électriques de bord sont épuisées (alternateur HS et batterie déchargée), le moteur continue à  fonctionner.

On trouve deux types de magnéto :

La magnéto normale et la magnéto à  déclic qui est munie d'un dispositif permettant de supprimer lavance pour faciliter la mise en route du moteur. Une fois que le moteur tourne, ce dispositif se débraye. Lavance à  lallumage permet d'avoir une étincelle, un peu avant que le piston natteigne le point mort haut, ce qui améliore le fonctionnement à  haut régime. Cependant, cela rend le démarrage plus difficile.

Dans une magnéto à  déclic, un ressort en spirale se tend et retarde lallumage pendant la montée du piston. Une fois passé le point mort haut le ressort se relâche, et donne de la vitesse au rotor de magnéto, ce qui produit une étincelle puissante. A partir denviron 600 RPM la force centrifuge désengage les masses du déclencheur, et la magnéto se comporte comme une sans déclic.

Chaque magnéto alimente une bougie sur chaque cylindre. Les deux bougies d'un même cylindre sont donc alimentées par deux magnétos différentes. Cette disposition permet, en cas de panne d'une magnéto, de conserver tous les cylindres en fonctionnement. Un contacteur à  clef placé sur le tabl'eau de bord permet de commander les magnétos. Il comporte quatre positions (OFF, DROITE, GAUCHE et DROITE + GAUCHE). En fonctionnement normal le pilote utilise les deux magnétos.

On commande toujours la mise à  la masse d'une magnéto et non son arrêt car si le contacteur ou ses fils ne fonctionnent pas, le moteur continuera à  fonctionner ; en contrepartie, lorsque le moteur est arrêté, la magnéto n'est pas à  la masse si les fils sont sectionnés et le moteur risque de se mettre en route lors d'une manipulation de lhélice.

Conséquences de l'utilisation de mélanges mal réglés :

Perte de puissance, surchauffe moteur et/ou détonation = mélange trop pauvre.
Perte de puissance, surconsommation, encrassement moteur/bougie et fumées noires = mélange trop riche.
 
Les hélices

Une hélice est constitué d'un moyeu centré sur larbre de sortie du moteur, de pales et parfois de dispositifs permettant le calages des pales ou leur dégrivrage. Le moyeu et larbre sont protégés par un carénage dit aussi "cône dhélice" ou "casserole" dont la fonction est de guider l'air vers les entrées d'air du moteur. Il est fixé à  la cellule de l'avion par le bâti-moteur, et isolé de la cabine par une cloison pare-feu.
Les pales généralement en nombre de 2, 3, 4 ou plus sont fixées sur le moyeu et se présentent sous la forme d'un profil daile dont la corde de référence fait un angle dit "de calage" avec le plan de rotation de lhélice. Son but est de fournir une force de traction en prenant appui sur l'air. Par leur rotation, ces pales repoussent l'air vers l'arrière donnant n'aissance à  une force de traction qui permet à  l'avion de se mouvoir dans l'air. On appelle "pas" la distance parcourue par lhélice le long de son axe de rotation en un tour.

Le vent relatif issu du déplacement de l'avion et de la rotation de lhélice crée sur chaque pale une force aérodynamique qui se décompose en portance ou traction parallèle à  l'axe de rotation de lhélice et d'une trainée perpendicul'aire à  l'axe de rotation. Lors d'un vol stabilisé la traction de lhélice équ'ilibre la trainée de l'avion et le couple résistant de lhélice équ'ilibre le couple du moteur.

Les pales formant le rotor principal des hélicoptères sont de très grande t'aille et leur nombre varie en fonction de la masse et de la vitesse du véhicule.

Ce rotor assure à  la fois la portance, la propulsion et le contrôle en tangage et en roulis. Le régime de rotation étant quasiment constant, le contrôle de la trajectoire est obtenu par variation du pas.
Le couple engendré par le rotor principal doit être compensé afin dempêcher la cellule de tourner dans le sens contraire par un système de propulsion latérale anti-couple ou par effet Coanda sur la poutre de queue. Ce système assure également la gouverne en lacet (direction).
Un second rotor principal qui peut être superposé au premier et placé sur le même axe mais tournant en sens inverse ou placé à  une distance plus ou moins grande du premier, dans ce cas les hélices sont dites contrarotative ou à  contra-rotation.

Les hélices contrarotative ou à  contra-rotation

Elles permettent de passer une plus grande puissance avec le même diamètre dhélice et suppriment le couple de renversement de l'avion autour de son axe de roulis. Ce couple pose problème, spécialement au décollage, pour des monomoteurs à  hélice très puissants.
Le rendement propulsif est amélioré, car le flux hélicoidal de la première hélice est redressé par la seconde.

Linconvénient majeur des hélices contrarotatives est la complexité de la transmission; réducteurs, arbres, boîtes de transmission, le coût, le poids et la fragilité de l'ensemble.

Les hélices tractives ou propulsives


Une hélice est dite tractrice ou propulsive si elle est placée devant ou derrière car elle "tire" ou "pousse". La grande majorité des avions ont une ou des hélices tractrices, présentant généralement un meilleur rendement propulsif, lhélice travaillant dans une masse d'air homogène, non perturbée par les sillages du fuselage et des ailes comme les hélices propulsives.

Le calage idéal dépend de la vitesse de l'avion et de la puissance du moteur, il peut être fixe ou variable.

Calage fixe

Peu coûteux car lhélice est fait d'un seul bloc ou monobloc, il est le résultat d'un compromis entre un surcouple au décollage et une surrégime en croisière. Le régime du moteur est en vol lié à  la vitesse, il augmente si la vitesse de l'avion augmente et diminue si l'avion ralentit.

Le pilotage d'une hélice à  calage fixe se fait à  laide de la manette de puissance (noire) qui commande le papillon du carburateur, le pilote fixe le nombre de tours moteur en se référant au compte-tours. Le régime de rotation de lhélice est fixé par l'équilibre de deux couples opposés, le couple résistant de lhélice et le couple moteur.
Avec ce type dhélice, si le pilote se met en descente à  partir d'un palier stabilisé, sans changer le réglage de sa manette de puissance, la vitesse de l'avion va augmenter, modifier lincidence de lhélice, diminuer son couple résistant, provoquant ainsi une augmentation du régime de lhélice. On peut donc dire que sur une hélice à  calage fixe, le régime dépend de la vitesse ; c'est également un indicateur pour le pilotage. Le phénomène inverse se produit lors d'une mise en montée.

Exemple de calage fixe:
Robin DR400 (Dauphin, Major, Regent, Remo 180)
Socata (TB-9 Tampico)

Calage variable

Couteûx et utilisation plus complexe que lhélice monobloc, elle permet de choisir le calage de lhélice dans toutes les phases de vol car en cas de panne par exemple on peut mettre lhélice en drapeau assurant ainsi peu de trainée.
Un mécanisme assure la variation du calage tandis que système régule la vitesse de rotation de lhélice. Ainsi quelque soit la vitesse de l'avion lhélice reste constante.

Pour piloter une hélice à  calage variable, le pilote dispose d'une manette supplémentaire, la manette de régime hélice (bleue). Cette manette va agir sur le régulateur, dont le rôle est de commander lorientation du pied de pale, donc le calage initial de lhélice, par le biais d'un dispositif hydraulique. Dans ce cas, le pilote va déterminer le couple résistant de lhélice, donc le régime de rotation de lhélice, c'est donc la manette dhélice qui commande le compte-tours. La manette de puissance (noire) va toujours agir sur le carburateur afin de fixer la puissance délivrée par le moteur, mais cette fois-ci, l'indicateur de puissance sera la pression dadmission. Dans les deux cas, la richesse du mélange est contrôlée par la manette de mélange (rouge). Lindicateur pour régler la richesse est en général le fuel-flow (débitmètre) sur les avions équipés dhélice à  calage variable et
lEGT lorsque lhélice est à  calage fixe.

A chaque régime de vol en calage variable correspond un pas :

Décollage : petit pas.
Croisière : pas plus grand et adapté au régime de vol.
Incident ou vol à  voile : drapeau.
A l'atterrissage, après le poser des roues : revers.

Exemple de calage variable:
Robin DR400 (Remo 200)
Socata (TB-10 Tobago, TB-20 Trinidad )
 
Silverstar a dit:
Couteûx et utilisation plus complexe que lhélice monobloc, elle permet de choisir le calage de lhélice dans toutes les phases de vol car en cas de panne par exemple on peut mettre lhélice en drapeau assurant ainsi peu de trainée.

En quoi consiste la mise en drapeau d'une hélice?
 
La mise en drapeau c'est quand larrete des pales sont faces au vent ça évite de freiner l'avion en vol en cas de panne moteur si tu regarde l'avion. De face en drapeau tu vois à  peine lhelice
 
La mise en drapeau consiste a modifier le pas afin que lhelice ne tourne pas a cause du vent relatif. Le but du jeu est que lhelice ne bouge pas ou tres peu, pour eviter dendommager le moteur, les accessoires et aussi reduire la trainee (frein) induite par la rotation de lhelice.
 
100_0066.JPG

Lhelice à  droite sur la photo est en drapeau l'autre à  gauche est en petit pas vol
 
Oui absolument à  pas variable en faite au pied de lhelice à  l'intérieur du dôme chaque helice à  une grosse roue dentée qui sont toutes entraînés par un. Piston dans le dôme le tout controle par la pression dhuile du moteur.
Sur transall c'est automatique alors que sur d'autre comme le casa ou le twin otter c'est le pilote qui bouge une manette qui change le pas dhelice
 
c'est plus clair car je croyais que le drapeau c'etait mettre lhelice en roue libre, comme les grues de chantier qui tournent avec le vent. je suppose que ceci est vrai pour les eolienne qui tombe en panne, on modifie le pas pour eviter dedommager le generateur delectricite
 
Comme le dit Jack "bel article" !
Nous en apprenons tous les jours et cela ne nous lasse pas :)
 
J'ai encore beaucoup de chose à  apprendre, mais le temps me manque. C'est aussi pour ça que je voudrais passer le PPL et faire d'autres articles de qualité.
 
Hello,
Pour faire une approximation, je dirais que le réglage du pas c'est la boîte de vitesses d'une automobile : plein petit pas (1ère), petit pas, grand pas (4, 5, 6 selon les modèles :) ).
Hélice en drapeau = point mort.
Reverse = marche arrière
 
greg a dit:
Hello,
Pour faire une approximation, je dirais que le réglage du pas c'est la boîte de vitesses d'une automobile : plein petit pas (1ère), petit pas, grand pas (4, 5, 6 selon les modèles :) ).
Hélice en drapeau = point mort.
Reverse = marche arrière
Très bien résumé....
 
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