NAVIRES Hydrodynamique navale

Définition et principe de fonctionnement de l'hélice propulsive

L'hélice, qui fit son apparition sur les navires au milieu du xix^e siècle, constitue le moyen de propulsion le plus couramment utilisé.

Une hélice est essentiellement constituée par un certain nombre de pales (entre trois et six pour les navires classiques) qui ont en gros la forme d'ailes portantes hélicoïdales (pas géométrique H), et qui sont montées sur un moyeu généralement cylindrique. Les pales sont en général fixes par rapport au moyeu mais certaines hélices, qui doivent travailler dans des conditions de charge très variables (chalutiers par exemple), ont des pales orientables autour d'un axe normal au moyeu.

Quand l'hélice a une vitesse d'avance V₀ parallèle à son axe et une vitesse de rotation ω = 2 π n (n étant le nombre de tours par unité de temps), ses sections cylindriques se comportent comme des profils d'ailes portantes ; il en résulte un effort hydrodynamique qui se réduit au total à une poussée T parallèle à l'axe et à un couple Q autour de cet axe, soit un coefficient de poussée K_T = T/ρn²D⁴ (D est le diamètre), un coefficient de couple K_Q = Q/ρnD⁵ et un rendement η = V₀T/2 πnQ. Les valeurs de K_T, K_Q et η sont essentiellement fonction du « degré de progression » J₀ = V₀/nD, mais dépendent en revanche relativement peu de la viscosité de l'écoulement.

Les courbes caractéristiques de fonctionnement de l'hélice dépendent fortement du pas géométrique réduit H/D : l'augmentation de H/D décale vers la droite les courbes (J₀ ; K_T) et (J₀ ; K_Q) ; la valeur de J₀ pour laquelle K_T = 0 est très voisine de H/D, d'où son nom de « pas effectif ». L'augmentation de H/D entraîne également un accroissement du rendement maximal de l'hélice.

Pour étudier théoriquement le fonctionnement de l'hélice, comme d'ailleurs celui des surfaces portantes en général, on remplace celle-ci par une distribution de tourbillons (ou une distribution mixte de tourbillons et de sources, les sources étant destinées à représenter l'effet d'épaisseur des pales) ; quand l'envergure relative des pales est petite, les tourbillons qui constituent l'hélice, encore appelés tourbillons « liés », se réduisent à une simple ligne tourbillonnaire ; le modèle théorique est alors analogue au modèle de Prandtl pour les ailes portantes de grande envergure. La circulation autour des sections cylindriques de chaque pale étant variable avec leur distance r à l'axe, il s'échappe nécessairement du bord de fuite de chaque pale une nappe de tourbillons, appelés tourbillons « libres », qui, dans le modèle le plus simple, est un hélicoïde droit de pas V/n.

Le calcul de la circulation puis celui des efforts hydrodynamiques sont effectués en fluide parfait. L'effet de la viscosité, qui est essentiellement pour chaque élément de pale une force de traînée, est évalué séparément ; il se traduit au total par une diminution de la poussée et une augmentation du couple, donc une diminution du rendement.

La théorie de l'hélice, même si elle procède par approximations successives en partant d'hypothèses simples, conduit à des résultats qui sont très proches de l'expérience.

Interactions hélice-carène

À cause de la présence de la carène, l'hélice ne travaille jamais dans un champ de vitesse relative uniforme : il existe un certain « sillage ». Par exemple, la vitesse d'arrivée d'eau dans l'hélice peut être réduite à 20 p. 100 seulement de la vitesse de route V, si l'on se place dans le plan longitudinal juste sur l'arrière de l'étambot d'un gros navire à ligne d'arbres unique (le coefficient de sillage local, différence relative entre V et la vitesse locale, est alors de 0,8).[...]