Pas d'hélice : du pas géométrique au pas réel

Le pas d'une hélice est la distance dont elle avancerait en un tour si elle se vissait dans le fluide comme une vis dans un écrou. Dans l'eau ou dans l'air, elle glisse : elle avance moins, et cette avance réelle s'appelle le pas effectif. L'écart entre les deux, le glissement, dépend du point de fonctionnement de l'hélice.

Au sommaire :

• L'hélice, une vis qui glisse
• Le pas géométrique : une affaire de calage
• Le pas effectif : ce que l'hélice avance vraiment
• Le glissement
• Un pas qui varie le long de la pale
• Adapter le pas au point de fonctionnement

1 : L'hélice, une vis qui glisse

Quand nous faisons un tour de vis dans un écrou, la vis avance d'une distance fixe : son pas. L'hélice fonctionne presque de la même façon, en se vissant dans le fluide.

« Hélas, y a pas d'hélice, c'est là qu'il y a l'os ! » (dicton du coin)

La ressemblance n'a rien d'une image : les premières hélices marines étaient de véritables vis, comme le raconte l'histoire de l'hélice.

Une des premières hélices marines : une vis enroulée autour de son arbre.

Mais une vis s'appuie sur un écrou rigide, alors que l'hélice s'appuie sur un fluide qui cède. C'est pourquoi il faut distinguer deux pas : le pas géométrique, que porte la pale, et le pas effectif, que l'hélice parcourt réellement.

2 : Le pas géométrique : une affaire de calage

Le pas géométrique est la distance que parcourrait l'hélice en un tour si elle se vissait dans un écrou. Il se lit sur la pale elle-même, à partir de l'inclinaison de ses profils.

Suivons un profil de pale situé au rayon r. En un tour, il parcourt le périmètre 2πr. Sa corde est inclinée du calage β par rapport au plan de rotation. S'il avançait exactement dans le sens de sa corde, il progresserait donc de :

P = 2π r × tan β

avec P le pas géométrique (m), r le rayon du profil (m) et β le calage (degrés).

Déroulé sur un plan, le cylindre de rayon r devient un rectangle : le périmètre 2πr d'un côté, le pas de l'autre. Le chemin du profil devient une droite, inclinée de tan^-1(P / 2πr).

3 : Le pas effectif : ce que l'hélice avance vraiment

Dans un fluide, l'hélice peut tourner sans que le bateau ou l'avion avance, au point fixe par exemple. La distance qu'elle parcourt réellement en un tour est celle que parcourt l'engin pendant ce tour : c'est le pas effectif.

Pe = V / n

avec Pe le pas effectif (m), V la vitesse d'avance de l'engin (m/s) et n la vitesse de rotation de l'hélice (tr/s). Diviser par n revient à multiplier la vitesse par la durée d'un tour, 1/n.

Exemple : un bateau avance à 3 m/s et son hélice tourne à 5 tours par seconde (300 tr/min). Un tour dure 1/5 = 0,20 s. Pendant ce tour, le bateau parcourt 3 m/s × 0,20 s = 0,60 m : le pas effectif vaut 0,60 m.

Le pas effectif ne dépend donc pas de la forme de l'hélice, mais de son point de fonctionnement : la même hélice a un pas effectif nul au point fixe et de plus en plus grand quand l'engin accélère à régime constant.

4 : Le glissement

Le pas géométrique ne correspond donc pas au déplacement réel de l'hélice. La différence entre les deux s'appelle le glissement (ou recul) :

glissement = P − Pe   et   taux de glissement = (P − Pe) / P

En un tour, l'avion avance du pas effectif ; il lui manque le glissement pour atteindre le pas géométrique.

Le glissement n'est pas un défaut : c'est parce que la pale attaque le fluide avec une incidence qu'elle produit de la poussée. Sans glissement, l'incidence géométrique serait nulle, et la poussée ne viendrait plus que de la cambrure des profils. Pour un bateau, le glissement découle de la poussée demandée : le calcul du pas et du glissement d'une hélice de bateau le donne pour l'hélice de la série B de Wageningen qui répond à votre cahier des charges.

5 : Un pas qui varie le long de la pale

Le périmètre 2πr grandit du moyeu vers le bout de pale. Pour garder le même pas, le calage doit donc diminuer du pied vers le bout : la pale est vrillée.

Une pale à pas constant suit exactement cette loi. Une pale optimisée pour son point de fonctionnement s'en écarte, et son pas géométrique change le long de la pale. Quand on donne « le » pas d'une telle hélice, on cite en fait le pas relevé à un rayon de référence, le plus souvent 70 % du rayon (0,7 R).

Vue filaire d'une hélice dans Heliciel : l'inclinaison des sections change du moyeu vers le bout des pales, c'est le vrillage.

6 : Adapter le pas au point de fonctionnement

Une hélice à pas fixe est taillée pour un point de fonctionnement. Quand la vitesse ou la charge changent beaucoup (décollage et croisière d'un avion, bateau lège et chargé), il peut être utile de modifier le pas géométrique pour l'adapter au pas effectif imposé. C'est le rôle des systèmes de variation de pas.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment le vrillage et le calage se calculent élément par élément, ou comment le point de fonctionnement d'une hélice fixe l'incidence de chacun de ses profils.