L'invention de l'hélice tient son origine de la théorie de la dynamique des fluides du mathématicien suisse Daniel Bernoulli. Il proposa l'hélice comme moteur des navires en 1752.
L’hélice est le propulseur qui équipe la quasi-totalité des navires. Lorsqu’un corps se déplace dans l'eau, il est soumis au phénomène de « résistance à l’avancement ».
Pour combattre cette déformation de la surface de l’eau, le navire a besoin d’un système propulsif qui comprend :
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le propulseur (l’hélice), en aval, qui engendre la poussée s’opposant à la résistance
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le moteur, en amont, qui transforme une énergie fossile en énergie mécanique
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entre les deux, on trouve des éléments destinés à transmettre à l’hélice la puissance mécanique produite.
L'invention de l'hélice
Issu d'une famille de constructeurs de bateaux, Frédéric Sauvage travaille sur l'amélioration de la propulsion des navires : il veut prouver que l'hélice à spirale est bien plus efficace que les roues à aubes.
Il en fait la démonstration en 1832 dans le bassin d'Honfleur puis sur le canal de l'Ourcq, devant une commission nommée par le ministre de la Marine. Mais la Marine doute de l'efficacité de son invention.
En 1832, Augustin Normand, collègue de travail de Fréderic Sauvage, a l’idée de fractionner l’hélice en pales afin d’augmenter l’efficacité du dispositif. Entêté dans son idée d'une hélice à spire complète, Sauvage se ruine. Il sombre alors dans la folie et décède à Paris le 17 juillet 1857.
Il arrive souvent que l’on assimile le fonctionnement d’une hélice à celui d’une vis qui ferait avancer le navire en « vissant » dans le liquide. Il s’agit d’une erreur, due à l’apparence des premières hélices créées dans les années 1830 qui n’étaient « ni plus ni moins qu’une vis d’Archimède dont la longueur était égale au pas géométrique » .
Le prototype conçu par Sauvage.
© Musée national de la Marine/P. Dantec
Frédéric Sauvage, inventeur de l'hélice, gravure sur bois d'après Paul Gavarni., tirée du n° 753 de L'Illustration, paru en 1857.
L'hydrodynamique navale est une branche de la mécanique
des fluides consacrée à l'étude scientifique de la résistance de l'eau à l'avancement d'une coque de navire. La conception d’une hélice dépend de la notion d’hydrodynamique qui conditionne les formes et les dimensions principales de la carène, mais aussi la puissance de l'appareil propulsif, celle de l'appareil à gouverner, l'échantillonnage de la charpente...
Ses origines sont aussi anciennes que les navires eux-mêmes. Toutefois, l'hydrodynamique ne s'établie comme science qu'à partir du XVIIIe siècle.
L'HYDRODYNAMIQUE
Lorsque les carènes se déplacent, elles provoquent le décollement d’une partie de l’eau longeant la coque. Cette eau qui cherche à se recoller à la coque provoque un effet de succion qui augment la résistance de carène. Ce phénomène est plus sensible pour les coques à déplacement que pour les carènes planantes. Afin d’évaluer la résistance de carène, il convient d’identifier la famille à laquelle elle appartient.
Il existe 3 grandes familles :
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Les carènes planantes
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Les carènes à semi-déplacement
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Les carènes à déplacement
L’élaboration du propulseur est liée aux caractéristiques du navire. La forme définitive de l'hélice est réalisée lorsque que toutes les autres composantes sont fixées. L'hélice parfaite n'existe pas, la conception d'une hélice est le fruit d'un compromis.
La conception du propulseur est élaborée par un ingénieur hydrodynamicien. Il vise la meilleure adéquation possible entre les contraintes de conception et les objectifs propulsifs à atteindre (vitesse du bateau, rendement de l’hélice, bruit rayonné, vibrations, etc...).
L'hydrodynamique
en quelques schémas
Calculs helices Fixes pour bateaux F038D © FRANCE HELICES
L'HÉLICE dans
tous ses ÉTATS
Avant toute chose, il faut savoir que le choix de la forme de l’hélice est intimement lié au projet du navire. C’est pourquoi un avant projet de l’hélice est réalisé en amont pour prendre en compte les différentes caractéristiques du navire.
Par exemple : un cargo frigorifique a besoin d'aller vite, peu importe si cela donne lieu à des vibrations bruyantes. Tandis qu'un navire de croisière n'a pas besoin d'aller très vite, mais ne peut pas se permettre d'être trop bruyant pour le confort de ses passagers.
La forme définitive de l’hélice est choisie une fois que toutes les autres composantes sont fixées : taille et forme de la carène, choix du moteur, puisque tous ces éléments peuvent avoir une incidence sur la géométrie de la pale.
Une hélice, et par extension la forme des pales, doivent être étudiées en prenant en compte la totalité du navire. Pour définir une hélice, on lui attribue un référentiel cartésien (O, x, y, z) dont le centre est au milieu du moyeu, dont l’axe x est parallèle à l’axe d’hélice, les deux autres définissant le plan de l’hélice. L’axe y est lié à une pale « de référence » dont la géométrie est reproduite périodiquement pour générer l’hélice.
Terminologie globale de la pale.
Extrait de : CORDIER Stéphane, Cours Propulsion – Hélice. Volume I, Université d'Orléans, 2004, p. 15.
Le nombre de pales
Le phénomène de cavitation
© Encyclopédie de l'Energie.
Il existe 3 types de cavitations (apparition de bulles gazeuses à la surface des pales) :
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à la base des pales
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au milieu de la pale
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à l'extrémité de la pale
Le nombre de pales est déterminé par les vibrations et la discrétion acoustique. La géométrie de la pale permet d’agir sur le bruit et les vibrations appelé excitation ou blade rate.
L’augmentation du nombre de pales permet :
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de réduire le poids de l’hélice.
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de réduire le phénomène de cavitation en fractionnant la charge individuelle des pales.
L’hélice à pales fixes est une hélice monobloc, sur laquelle les pales ne sont pas orientables.
L’hélice à pas variable, également appelée « hélice à pales orientables », est une hélice plus complexe, composée principalement : d’un moyeu sur lequel viennent se loger les pieds des pales, de pales pouvant pivoter autour d’un axe et d’un mécanisme hydraulique logé dans le moyeu permettant d’orienter les pales.
Chaque pale est-elle unique ?
Malgré l'existence de « familles » d'hélice, il n’existe aucune normalisation internationale concernant les profils et les familles d’hélices. Il n’y a pas de typologie claire concernant les formes des pales d’hélices car il n’y pas de linéarité chronologique dans l’évolution de la forme des pales. Et s’il est parfois possible d’attribuer une forme de pale à un type de navire, il est impossible d’être catégorique à ce sujet.
Il existe des séries systématiques de pales. C’est notamment le cas de Burril, Gawn, Troost ou Kamewa, qui proposent en effet des profils compilés sur la base de nombreux essais. Ces séries sont généralement constituées à partir de sections standard (épaisseur, cambrure, devers) et de lois d’épaisseur, de corde et de pas constants. L’entreprise fournit une silhouette de pale, qu’elle adapte ensuite aux dimensions demandées. Ces séries systématiques peuvent aussi servir de base demandant à être affinée.
Les différents profils de pale
Il n'y a aucune norme internationale qui définisse une typologie des pales. Il n'existe de ce fait pratiquement pas de lexique précis. Cependant, certaines caractéristiques se démarquent sur plusieurs modèles de pales. Elles résultent du processus de fabrication du modèle et sont pour la plupart significatives d'une certaine forme d'artisanat et/ou de recherche de la forme.
Le rake ou l'inclinaison : le décalage axial du centre du profil (point à mi- corde) par rapport au plan de l’hélice.
Une inclinaison arrière accentue les contraintes liées à la poussée, elle est utilisée pour éloigner les extrémités des pales du bord de la coque et éviter les tourbillons.
Le skew ou le devers : le décalage angulaire du centre (point à mi-corde) par
rapport à l’axe lié à la pale.
Le skew peut être utilisé pour réduire les fluctuations du champ de pression lié au passage des pales. Il permet également de diminuer le phénomène de cavitation.