1.1 Hélices marines
Les premières hélices contra-rotatives montées sur le même arbre sont apparues dans des applications navales. Une des premières applications et la principale encore aujourd’hui est sur la propulsion des torpilles : l’utilisation d’un doublet d’hélices contrarotatives permet d’annuler le couple généré par la première hélice avec la deuxième. Il n’y a plus de moment de roulis facilitant les trajectoires rectilignes sans pilotage. Cette innovation vient de l’ingénieur Robert Wilson d’après Edwyn Gray [32]. L’application du doublet d’hélices à la propulsion de bateaux a été initiée par G. Rota en 1909 [33,34]. Le doublet d’hélice permet de passer plus de puissance sur le même moteur sans craindre de phénomène de cavitation au niveau de l’hélice. Les applications récentes aux sous-marins ont été précédées par l’utilisation d’une hélice libre en aval d’une hélice entraînée afin de récupérer l’énergie cinétique de rotation du sillage de cette dernière. Cette architecture est appelée « grim wheel » ou « vane wheel ». L’exemple le plus célèbre, illustré figureII.1, est la remotorisation du paquebot Queen Elisabeth II qui fût le premier navire pour le transport de passager à recevoir cette technologie. Cependant des pales de l’hélice libre se détachèrent dès les premières utilisations et celle-ci fût donc retirée rapidement sans jamais être remplacée.
Au sujet des doublets d’hélices marines, un grand travail a été effectué sur les techniques de conception pour créer un jeu d’hélices contrarotatives optimal [35,36]. Pour ce type d’étude
Figure II.1– « Grim wheel » du paquebot Queen Elisabeth II
seules les performances du doublet sont regardées dans leur ensemble. En ce sens, les travaux de Master de J. A. Jacobson sortent de l’ordinaire [37]. Elle essaye de prédire les performances d’un doublet contrarotatif constitué d’hélices qui n’ont pas été dessinées pour travailler ensemble, et ce à partir de données hélice simple. Son travail est intéressant car la base de comparaison vient d’études expérimentales réalisées en veine hydraulique et il pose la question du lien entre les performances des hélices isolées et leur performance en doublet. J. A. Jacobson utilise six coefficients inconnus pour arriver à ses fins :
– Trois viennent corriger les vitesses axiales et les vitesses de rotation des coefficients d’avan-cement pour prendre en compte les interactions des hélices.
– Un coefficient est présent pour prendre en compte la perturbation sur l’écoulement amont venant de l’installation en veine d’essai.
– Deux coefficients sont ajoutés en facteur des efforts prédits pour recaler directement sur la traction et sur le couple du doublet.
Ces six inconnues sont déterminées via un outil d’optimisation cherchant à réduire le moindre carré des différences entre les efforts prédits et mesurés [38]. Le fait d’avoir basé son étude sur des calculs d’essais est à double tranchant. Le point positif est que les essais sont au plus près de la physique et ne se basent sur aucun modèle. En revanche, le nombre de points d’essais est assez limité par rapport à la volonté de couvrir un large champ de variation de régime sur les rotors amont et aval. Pour conclure, son approche est intéressante en revanche pour le même type de travail sur des hélices aériennes deux degrés de liberté viennent s’ajouter avec les calages variables de chaque hélice ainsi que les effets de compressibilité.
II.1 Hélices marines et rotors co-axiaux d’hélicoptère
1.2 Rotors coaxiaux d’hélicoptère
Le doublet d’hélices contrarotatives a trouvé une autre utilisation avec les hélicoptères. En effet un hélicoptère classique a deux rotors : un grand rotor de sustentation et un deuxième plus petit placé en queue de l’hélicoptère permettant d’annuler le couple du premier, de stabiliser l’appareil et d’assurer le contrôle en lacet. Il est possible de ne pas avoir besoin de ce rotor anticouple en doublant le nombre des rotors sustentateurs. Trois architectures ont vu le jour :
– Figure II.2(a) : Les rotors de sustentation en tandem, un rotor à l’avant et un rotor à l’arrière de l’hélicoptère.
– Figure II.2(b) : Les rotors de sustentation sont sur deux axes de rotor en V. Ils sont synchronisés afin que les surfaces balayées se croisent sans que les pales ne se touchent. – FigureII.2(c): Les deux rotors de sustentation sont coaxiaux. Cette configuration permet
d’atteindre de bonnes performances à faible vitesse au prix d’une complexité accrue du mécanisme autour de l’axe de rotation.
(a) Rotors en tandem CH-46 (b) Rotor en V Kaman K-MAX (c) Rotors coaxiaux sur Kamov Ka-50
Figure II.2– Trois architectures d’hélicoptères avec des doublets de rotors contrarotatifs L’architecture des rotors coaxiaux est comparable au doublet d’hélices marines. Ramasamy compare les performances en vol stationnaire d’une hélice isolée avec des rotors coaxiaux [39]. Le vol stationnaire pour un hélicoptère correspond à une vitesse infini amont nulle pour une hélice d’un turboprop. Il est difficile de représenter les performances dans ce cas car celles-ci sont normalement représentées dans un champ J, Cp, Ct or V0 est nulle. Historiquement le chiffre du mérite (Figure of Merit, FM) est utilisé, pour les rotors coaxiaux celui-ci a été défini ainsi [40] :
F M=
(T1√+T2)3/2 2ρS
P1+ P2 (II.1)
Les rotors coaxiaux offre un gain de 9% sur le chiffre du mérite par rapport au rotor simple à solidité (cf. équationI.5) équivalente. En revanche, si on compare les rotors coaxiaux à deux
rotors isolés dont la solidité combinée est égale, les interférences aérodynamiques entre les rotors coaxiaux entraine une augmentation d’environ 20% de la puissance absorbée induite [39]. Les performances des rotors coaxiaux sont toujours données en prenant en compte le doublet dans son ensemble.
Les rotors coaxiaux sont semblables en fonctionnement aux hélices contrarotatives d’un CROR. Cependant, contrairement au doublet d’hélices des CROR où les interactions tangen-tielles sont de premier ordre, les rotors coaxiaux des hélicoptères sont insensibles à la mise en rotation générée par l’un et l’autre rotor [41].