Vrillage de pale d'hélice et calage des profils

Le calage d'un profil est l'angle entre sa corde et le plan de rotation de l'hélice ; le vrillage est la différence de calage entre le pied et le bout de la pale. Une pale est vrillée parce que le fluide n'arrive pas sous le même angle sur toute sa longueur : près du moyeu, la rotation est lente et le fluide arrive surtout dans l'axe, alors qu'en bout de pale la rotation domine et il arrive presque dans le plan de rotation. Le vrillage permet à chaque profil de travailler à la bonne incidence.

Au sommaire :

• Le calage : l'angle que l'on mesure
• Pourquoi la pale est vrillée
• Le vrillage, du pied au bout de pale
• « Le » calage d'une pale : à quel rayon ?
• Calage et pas variable

1 : Le calage : l'angle que l'on mesure

Sur une pale réelle, l'angle le plus simple à mesurer est celui de la corde du profil par rapport au plan de rotation. Cet angle se nomme le calage du profil. Il ne dépend que de la géométrie de la pale, pas de la vitesse du bateau ou de l'avion.

Le profil vu en coupe : l'angle de calage se mesure entre la corde AB et le plan de rotation.

Le calage est lié au pas géométrique du profil par P = 2π r × tan β, comme l'explique la page sur le pas d'une hélice.

2 : Pourquoi la pale est vrillée

Chaque profil voit arriver le fluide sous un angle apparent φ, mesuré depuis le plan de rotation. Cet angle combine deux vitesses : la vitesse d'avance V, la même pour tout le disque, et la vitesse de rotation ω r, qui croît avec le rayon. En première approche, sans les vitesses induites que le calcul par éléments de pale ajoute :

tan φ = V / (ω r)

Pour qu'un profil travaille à l'incidence α voulue, son calage doit valoir β = φ + α sur une hélice propulsive, et β = φ − α sur une éolienne ou une hydrolienne, qui reçoit l'énergie du fluide au lieu de la lui donner.

Exemple : reprenons le bateau de la page sur le pas, qui avance à 3 m/s avec une hélice tournant à 5 tours par seconde (ω = 31,4 rad/s). À 10 cm de l'axe, ω r vaut 3,14 m/s et l'angle apparent atteint 43,7°. À 40 cm, ω r vaut 12,6 m/s et l'angle apparent tombe à 13,4°. Pour garder la même incidence partout, le calage doit donc perdre environ 30° du pied au bout de pale : c'est le vrillage.

3 : Le vrillage, du pied au bout de pale

Le vrillage est l'angle entre la corde du profil de bout de pale et celle du profil de pied de pale. Il mesure la torsion de la pale sur sa longueur.

Les profils d'une même pale, superposés du pied (0,5 R) au bout : leur corde se couche progressivement vers le plan de rotation.

4 : « Le » calage d'une pale : à quel rayon ?

Puisque le calage change le long de la pale, un « calage de pale » n'a de sens que si l'on sait à quelle distance de l'axe il a été relevé. Le plus souvent, on le donne à 75 % du rayon (0,75 R) en aviation, et le pas à 70 % du rayon (0,7 R) en marine. Certaines fiches le donnent en bout de pale.

Avant de comparer deux hélices, ou de reproduire le calage d'une pale existante, vérifiez donc toujours le rayon de relevé.

5 : Calage et pas variable

Sur une hélice à pas variable, la pale pivote tout entière sur son axe. Tous les calages changent du même angle, et le vrillage, lui, ne change pas.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment le calage fixe le pas géométrique et le pas effectif de l'hélice, ou comment Heliciel gère l'incidence des profils de la pale.