Une hélice ou une eolienne comporte essentiellement un moyeu et des pales. La pale de l'helice ou la pale d'éolienne peut etre considérée comme une aile tournante. La forme de pale est définie par des profils choisis pour leur performances aérodynamiques. Les profils sont répartis le long de la pale de l' eolienne ou de l hélice de maniere à réaliser le meilleur compromis entre résistance et production de portance.

La rotation de l' hélice engendre une vitesse et un angle apparent qui varient suivant la position du point observé sur le rayon de la pale. Pour garder un angle d'incidence optimum les profils de la pale de l' eolienne ou de l helice devront avoir un calage ajusté aux vitesse apparentes le long de la pale. Le calage des profils varie et provoque un vrillage de la pale. le vrillage de la pale de l'hélice ou de la pale eolienne est l'angle mesuré entre la corde du profil au pied de pale et la corde du profil au bout de pale de l eolienne ou de l hélice.

Le vrillage de la pale de l eolienne ou de l hélice est lié au point de fonctionnement. Si le point de fonctionnement varie le vrillage de pale doit etre modifié. Les pales d'hélice et les pales d 'eoliennes sont généralement rigides et leur vrillage est donc fixe.

Une variation de la vitesse de rotation ou de la vitesse du fluide par rapport au point de fonctionnement de construction, dégrade les performances de l'hélice ou de l eolienne.

La variation du pas consiste a faire tourner la pale de l eolienne ou de l helice sur son axe de maniere à corriger cette perte de performance.La variation de pas permet aussi de réguler la vitesses des éoliennes.

Le nombre de pale de l eolienne ou de l helice varie suivant le couple et la vitesse au point de fonctionnement. ainsi une éolienne de pompage n'aura pas le meme nombre de pale qu'une éolienne de production d'électricité. Une hélice de voilier aura une forme de pale bien différente d'une hélice de hors bord.

 

Nous avons vu dans l 'article distribution de corde des profils que la portance des pales des éoliennes et hélices devait etre répartie le plus loin possible des fuites de bout de pale, ce qui conduit à une répartition eliptique de la portance, mais pas des cordes. La vitesse de déplacement des éléments de la pale etant plus faible au niveau du pied de la pale, la surface doit etre augmentée au pied de la pale d'éolienne,d'hélice ou de l ' hydrolienne pour respecter la distribution elliptique de portance.

Un compromis entre le surcoût de matiere et le rendement gagné doit etre évalué car la matiere utilisée au pied de pale devient tres importante. Un fort allongement des pales offre en général de meilleur rendement, mais pour les hélices de bateaux la longueur des pales est reduite par la profondeur maximum de l' arbre d'hélice, la vitesse en bout de pales qui génere rapidement de la cavitation lorsque la pale se rapproche de la surface, et le tirant d'eau limité ... Ces contraintes imposent des formes de pales bien différentes que les formes de pale d'avion ou d'éoliennes.

Fabrication des pales:Materiaux et technique

la matiere et la sructure de la pale sont prises en compte dans le calcul de resistance de l helice ou de l aile par le logiciel Heliciel.Un petit tour d ' horizon sur les techniques et matieres de construction des pales nous sera utile.

• Pales helice avion

Pour les hélices en bois - celles du début de l'aviation et celles encore actuellement de l'aviation légère - le meilleur matériau est le noyer. Mais on peut aussi utiliser l'acajou, le palissandre, l'ébène, le hêtre, l'orme, le frêne, le buis, l'érable. Quand le bois fut remplacé par le métal, c'est le duralumin qui fut choisi pour la grande généralité des cas. Mais le duralumin ne put être retenu qu'après des années de travail de la métallurgie pour mettre au point le forgeage de ce métal. Vers 1920, on savait bien étirer et laminer le duralumin, mais on ne savait pas le forger en volumes assez gros pour constituer une pale d'hélice. Ce duralumin, sous l'action du pilon, se comportait en quelque sorte comme l'aurait fait un bloc de caoutchouc, il se détendait, au lieu de prendre progressivement la forme comme le fait un bloc d'acier par exemple. Actuellement, les pales de duralumin sont obtenues par forgeage et estampage suivant des techniques très au point.

Bien entendu, on a cherché à remplacer le duralumin par un métal plus léger encore : le magnésium en alliage. La légèreté de la pale est un élément extrêmement appréciable car les efforts centrifuges - plusieurs dizaines de tonnes - sont proportionnels à la masse spécifique du matériau utilisé. Allégeant ainsi la pale on gagne sur tous les tableaux: réduction des sections, du poids, de l'encombrement des pièces du moyeu.

Toutefois le forgeage des pales en magnésium nécessite un outillage plus puissant que le forgeage des pales en duralumin. D'autre part, une solution a été apportée par la mise au point du matriçage pour la fabrication des pales. Autre matériau utilisé pour les pales d'hélice l'acier. L'acier est employé pour les hélices de grandes dimensions la pale, qui est creuse, est alors faite de deux demi-coquilles embouties, soudées sur leur pourtour et comportant des raidisseurs internes; la tenue des soudures a naturellement demandé une longue mise au point, les tôles « glissant » l'une sur l'autre aux premières réalisations

Le carbone est de plus en plus utilisé et semble s 'imposer.Les performances de légereté et de résistance en font le materiaux de l 'avenir.Une maitrise parfaite du moulage est cependant nécéssaire pour un bon équilibrage et l absence de defauts.

 

• Pale helice bateaux

 

les pales des hélices de bateaux sont généralement moulées un lit de moule est construit et surfacé au pas de l'hélice grace a une planche tournant et glissant autour d'un axe guidée par un rail donnant le pas de l'hélice.

 

Le lit du moule est creusé et formé grace a des planches taillées au formes des profils de la pale.

Le dessus du moule est réalisé de la meme façon et la pale est coulée.

 

Une nouvelle génération d hélice voit le jour avec le carbone qui entre et s'impose sur le marché de l hélice de bateau:

 

• Pale eolienne

Les materiaux utilisés sont aujourd'hui principalement la fibre de verre ou de carbone impreignée de resine de polyester et epoxy. Le bois reste utilisé principalement pour les petites éoliennes bipales dont les deux pales seront taillées dans la meme piece de bois. Raccorder des pales en bois à un moyeu peut s'averer délicat du fait de la fatigue et de la force centrifuge.

Une technique de construction utilsée pour les petite éoliennes est parfois la pultrusion de fibre de verre.Les pales pultrudées passent a travers une filierre qui leur donne leur profil mais la distribution de corde est forcément constante.

Les pales moulées permettent donc de créer des formes aérodynamiques plus performantes que le pale pultrudées.

 

 

une autre methode de construction en fibre et résine consiste a enrouler un fil enduit de résine autour de la pale en la faisant tourner sur un tour:

la aussi le carbone fait son apparition mais il est plutot réservé au petites éoliennes du fait du prix de la matiere premiere