Pompe axiale et pompe à hélice : fonctionnement, hydrojet et dimensionnement

Une pompe axiale, aussi appelée pompe à hélice ou pompe hélicoïde, est une pompe qui déplace un fort débit en ne créant qu'une faible variation de pression. Son hélice tourne dans un conduit et pousse le fluide le long de l'axe, sans le dévier vers l'extérieur. On la rencontre surtout en irrigation, et sous une autre forme, l'hydrojet (pump-jet), sur les jet-skis, les hors-bords à faible tirant d'eau et certains sous-marins.

Une pompe axiale à hélice : le fluide entre et sort dans l'axe de l'hélice.

Au sommaire :

• Pompe axiale et pompe à hélice : le principe
• Calcul de l'hélice d'une pompe axiale : débit et variation de pression
• Hydrojet et pump-jet : une forte poussée avec une petite hélice
• Pied de pale, fuites et aubes directrices
• Compromis débit-pression et cavitation

1 : Pompe axiale et pompe à hélice : le principe

L'hélice d'une pompe axiale ressemble à l'hélice de bateau carénée. La différence tient à ce que l'on cherche. Pour un bateau, nous cherchons une poussée. Pour une pompe, nous cherchons une variation de pression à un débit donné.

C'est donc le débit souhaité qui fixe le point de fonctionnement de l'hélice de pompe. Vous imposez ce débit ; Heliciel calcule ensuite la poussée et la variation de pression que l'hélice produit à ce débit.

2 : Calcul de l'hélice d'une pompe axiale : débit et variation de pression

L'hélice est réalisée pour que, au débit voulu, elle crée une différence de pression égale à la perte de charge du conduit où circule le fluide. Dans une installation, le point de fonctionnement se trouve à l'intersection de deux courbes : la perte de charge du réseau en fonction du débit, et la variation de pression de la pompe en fonction du même débit.

La méthode de dimensionnement est celle d'une hélice propulsive avec un carénage. La variation de pression étant l'objectif principal, l'hélice est fortement chargée. Heliciel affiche ce delta de pression pour une pompe axiale, à côté de la force axiale, du couple et des rendements :

Résultats d'Heliciel pour une pompe axiale carénée : sur cette capture, le cadran « Delta pression » indique 55 697 pascals (0,56 bar), pour une force axiale de −1 749,8 N et un couple de −214,89 N·m ; le rendement propulsif lu sur l'histogramme est de 0,6 et le rendement cinétique de 0,3.

3 : Hydrojet et pump-jet : une forte poussée avec une petite hélice

Les pompes jet utilisées comme propulseur de sous-marins, de jet-skis, ou adaptées sur des moteurs hors-bord, entrent dans cette catégorie. Le diamètre de l'hélice y est parfois limité par le tirant d'eau, et par la vitesse d'évolution qui borne la vitesse de bout de pale (cavitation).

Un hydrojet pour hors-bord (pump-jet) : l'hélice tourne dans un carénage serré, qui limite les fuites en bout de pale.

Quand on veut une forte poussée avec une petite hélice, on retrouve le problème des fuites de pression au bout de la pale, mais aussi au niveau des pieds de pales. Le carénage répond à la première ; le rayon du pied de pale répond à la seconde.

Le rendement des hélices de bateau carénées n'est bon qu'à faible vitesse. Mais pour un jet-ski de loisir, un sous-marin qui doit accélérer très fortement en cas de besoin, un hors-bord à faible tirant d'eau ou un hydrojet intégré à la coque, ce n'est plus le rendement qui compte. Ce qui compte, c'est de pouvoir créer une forte poussée avec une petite hélice.

Coupe d'un hydrojet : l'hélice de pompe axiale tourne dans le corps de pompe, et le jet sort par la tuyère.

4 : Pied de pale, fuites et aubes directrices

Ces contraintes donnent des hélices carénées dont le pied de pale se situe autour de 0,5 fois le rayon. D'après les ordres de grandeur que nous retenons, la pression créée par une hélice est maximale autour de 0,75 fois le rayon de bout de pale. Le pied de pale, lui, ne peut pas créer de forte variation de pression, parce que sa vitesse apparente est faible. Placer le pied à 50 % du rayon de bout de pale augmente donc la pression et limite les fuites.

La forte portance des pales implique aussi une vitesse induite tangentielle importante, c'est-à-dire une mise en rotation du fluide. Cette rotation ne génère aucune poussée et représente une perte d'énergie. On peut la récupérer avec des aubes directrices fixes, placées à l'arrière de l'hélice pour redresser l'écoulement, ou à l'avant pour pré-orienter l'entrée du fluide.

5 : Compromis débit-pression et cavitation

Il faut trouver un compromis entre le débit et la pression réalisable, en fonction de la limite de cavitation sur les pales. Plus l'hélice est chargée, plus la dépression sur l'extrados des pales est forte, et plus la cavitation approche.

Onglet « Prototype 3D » d'Heliciel : la pale est colorée selon la pression à sa surface, avec une échelle de pascals et un seuil de cavitation à lire sur la légende.

Voici l'étude d'une hélice de pompe axiale dans Heliciel : la pale, le carénage et le sillage sont modélisés en 3D, et les performances sont calculées à chaque modification du point de fonctionnement.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment dimensionner un ventilateur axial pour un réseau aéraulique, qui suit la même logique de débit et de variation de pression avec de l'air, ou comparer avec le cas général de l'hélice de propulsion.