Hélice à pas variable : principe, histoire et usages

Une hélice à pas variable est une hélice dont les pales pivotent sur leur axe, ce qui change d'un même angle le calage de tous leurs profils. Une hélice à pas fixe ne donne son meilleur rendement qu'à un point de fonctionnement ; en faisant varier le pas, on garde la pale près de sa bonne incidence quand la vitesse ou la charge changent. L'avion y gagne au décollage comme en croisière, le bateau en manœuvre, et l'éolienne y trouve son principal moyen de limiter sa puissance.

Au sommaire :

• Pas fixe, pas variable : de quoi parle-t-on ?
• Pourquoi faire varier le pas
• Hélice d'avion : les premières solutions
• Hélice d'avion : les mécanismes de variation de pas
• La régulation : l'hélice à vitesse constante
• Hélice de bateau à pas variable
• Éolienne et hydrolienne : le pas pour réguler la puissance

1 : Pas fixe, pas variable : de quoi parle-t-on ?

Avant de lire cette page, un rappel peut être utile sur la différence entre pas géométrique et pas effectif.

Dans le langage courant, « pas fixe » désigne une hélice dont le calage ne peut pas être modifié : les pales font corps avec le moyeu. Son pas géométrique peut être constant ou varier le long de la pale, selon le vrillage choisi.

« Pas variable » désigne une hélice dont chaque pale est montée sur un axe. En la faisant pivoter, on modifie d'un même angle le calage de toutes ses sections ; le vrillage, lui, ne change pas.

2 : Pourquoi faire varier le pas

L'hélice transforme la rotation du moteur en poussée, comme une vis transforme une rotation en avance. Mais une vis s'appuie sur un écrou rigide, alors que l'hélice s'appuie sur un fluide qui cède. Cette « élasticité » est un avantage : l'hélice peut tourner à un régime donné quelle que soit la vitesse de l'engin, du point fixe à la vitesse maximale. Elle a un prix : une partie de l'énergie part dans le jet accéléré par l'hélice, et cette part varie avec le point de fonctionnement.

Une hélice à pas fixe est taillée pour un seul point de fonctionnement, défini par sa vitesse de rotation et la vitesse du fluide. Ailleurs, ses profils travaillent loin de leur meilleure incidence. Le problème rejoint celui du changement de vitesse des véhicules terrestres : tirer du moteur la puissance la plus élevée possible, avec le meilleur rendement du propulseur, sur toute la plage d'utilisation. On peut agir sur la transmission entre moteur et propulseur, ou sur le propulseur lui-même. On comprend qu'une génération entière de techniciens se soit attachée à réaliser l'hélice à pas variable.

3 : Hélice d'avion : les premières solutions

En aviation, une boîte de vitesses est exclue : elle est trop lourde, et il faudrait couper le couple du moteur pour changer de rapport. Il reste à agir sur l'hélice. Pour adapter l'hélice au vol, quatre leviers existent : la surface des pales, la forme de leurs profils, la courbure de ces profils et le calage.

Les premiers inventeurs ont essayé chacun de ces leviers :

• Faire varier la surface, soit par le diamètre (pales dont le pied se visse ou se dévisse), soit par la profondeur de la pale. Aux États-Unis, l'hélice Clarence Holman portait ainsi un volet de bord d'attaque, comme l'aile à fente du Potez 36.
• Doubler l'hélice. L'hélice française Salaün montait deux hélices semblables l'une derrière l'autre sur le même arbre. L'hélice avant coulissait sur l'arbre, si bien que la fente entre les deux variait automatiquement en largeur.
• Modifier l'écoulement autour du profil. Vers 1930, Bréguet réalisa une hélice à pales creuses : des trous percés le long de l'intrados produisaient des effets de tuyère qui modifiaient l'écoulement.

L'aile à fente du Potez 36 : le même principe de volet de bord d'attaque fut essayé sur l'hélice Holman.

Ces solutions se sont toutes révélées difficiles à réaliser. L'hélice idéale aurait un diamètre, un profil, une surface et un pas variables en vol. La variation de pas ne remplit qu'une de ces quatre conditions : c'est pourquoi le rendement d'une hélice reste plus faible au décollage qu'en croisière.

L'idée de deux hélices sur un même axe n'a pas disparu : elle revient aujourd'hui dans les projets d'hélices contrarotatives non carénées.

4 : Hélice d'avion : les mécanismes de variation de pas

La solution qui s'est imposée est la rotation des pales sur leur axe. Pour se faire une idée de la complexité d'un tel système :

Schéma d'un système de pas variable à commande hydraulique.

Vue en coupe d'une hélice à pas variable Hamilton.

Les hélices à pas variable se classent selon quatre critères :

La commande mécanique emprunte son énergie au moteur. Un embrayage, placé entre le carter du moteur et le système de commande des pales, entraîne la variation de pas par un réducteur. On l'actionne à la main, ou par des coupleurs électromagnétiques ou pneumatiques.

La commande électrique utilise un moteur électrique, soit fixé en bout d'arbre et tournant avec l'hélice, soit fixe. Un réducteur transforme sa rotation en rotation des pales. La source d'énergie est indépendante du moteur de l'avion, ce qui est à la fois un avantage et un inconvénient. La régulation est facile à réaliser, mais le système est fragile, surtout avec un moteur tournant, et une variation de pas rapide demande beaucoup de courant.

La commande hydraulique utilise l'huile du circuit qui alimente le moteur, sans autre source d'énergie. Il en existe trois variantes : cylindre mobile et piston fixe (Rotor), cylindre fixe et piston mobile à simple effet (Hamilton), cylindre fixe et piston mobile à double effet (Hamilton). Avec un piston à simple effet, l'hélice a en général deux pas : la pression d'huile donne l'un, la force centrifuge ramène l'hélice à l'autre. Le piston à double effet permet facilement la mise en drapeau.

5 : La régulation : l'hélice à vitesse constante

Dès l'origine, la commande manuelle du pas fut vue comme provisoire : le pas devait varier automatiquement, de façon continue ou presque instantanée.

À chaque point de fonctionnement correspond une incidence optimale des pales. Le régulateur lie donc en permanence le calage des pales au régime du moteur. Classiquement, un dispositif centrifuge agit par un relais sur la commande de pas : quand la vitesse de l'avion augmente, le régime tend à monter et le régulateur augmente le pas ; quand elle diminue, il réduit le pas. Le moteur tourne ainsi à régime constant : c'est l'hélice dite « à vitesse constante ».

6 : Hélice de bateau à pas variable

Malgré leur complexité, les hélices à pas variable offrent de vrais avantages aux bateaux. Les systèmes sont nombreux ; nous en retenons deux familles.

Le pas automatique (self pitching propeller) équipe les petits navires et les voiliers. Ces hélices dérivent des travaux de Griffith (1849). Les pales pivotent librement sur leur axe : en marche avant, la portance et un léger désaxage les amènent en butée à leur calage de fonctionnement. Quand l'arbre s'arrête, elles se mettent en drapeau et freinent moins le voilier sous voiles. En marche arrière, elles viennent en butée sur un second calage, prévu pour la marche arrière.

Vue éclatée d'une hélice de bateau à pas automatique.

Les deux calages en butée sont réglés à l'avance et ne changent pas en route. L'incidence n'est donc optimale que si le calage en butée correspond au point de fonctionnement réel du bateau.

Le pas commandé équipe les grosses unités. Il apporte plusieurs atouts :

• ajuster le calage pour que l'hélice donne son meilleur rendement selon la charge et la vitesse ;
• manœuvrer sans changer le régime du moteur, et régler la vitesse avec précision dans les passages étroits ou en file de navires ;
• passer en marche arrière sans inverser le sens de rotation de l'arbre, avec une meilleure efficacité qu'une hélice fixe tournant à l'envers ;
• mettre en drapeau une hélice arrêtée sur un navire à plusieurs hélices, pour limiter sa traînée.

Hélice de navire à pas commandé.

Le pas commandé a pris une place importante dans la construction navale. Parmi les navires de plus de 2 000 bhp classés au Lloyd's Register, la part des hélices à pas variable est passée d'environ 5 % en 1960-1964 à environ 35 % depuis les années 1980. Elle dépasse 60 % sur les ferries et navires à passagers, les remorqueurs et les navires de pêche.

Part des hélices à pas variable parmi les navires de plus de 2 000 bhp classés au Lloyd's Register, de 1960 à 2004, au total et par type de navire.

7 : Éolienne et hydrolienne : le pas pour réguler la puissance

Sur une éolienne, la variation de pas sert d'abord à limiter la puissance. Les vents forts sont riches en énergie mais rares ; dimensionner la machine pour eux coûterait cher, car le prix de certains composants croît vite avec la puissance transmise. Les éoliennes atteignent donc leur puissance nominale bien avant les vents les plus forts, et s'arrêtent automatiquement vers 25 m/s. Entre les deux, la puissance du vent croît avec le cube de sa vitesse : il faut la limiter. On distingue deux grandes méthodes :

• Le pas fixe, régulé par décrochage (stall control). Les pales sont fixées rigidement, et leur géométrie est conçue pour décrocher au-delà du vent nominal : le rendement aérodynamique chute et la puissance reste presque constante. Ce système est simple, donc fiable et moins coûteux, au prix de performances un peu inférieures.
• Le pas variable (pitch control). Les pales pivotent sur leur axe longitudinal. Quand le vent devient trop fort, un mécanisme augmente le pas pour réduire la portance, donc le couple. Plus complexe, ce système régule plus finement et offre un meilleur rendement. Un système de commande détermine la meilleure position des pales selon le vent et pilote les actionneurs.

Le pas variable apporte d'autres atouts :

• il réduit les efforts sur la structure par vent fort, en orientant les pales pour qu'elles captent peu le vent ;
• il facilite le démarrage et garantit que la puissance nominale n'est jamais dépassée ;
• il protège la turbine contre l'emballement ;
• il adapte la puissance produite à la demande du réseau et compense les variations de densité de l'air ;
• la mise en drapeau freine la turbine par voie aérodynamique et soulage le frein mécanique.

Mécanisme de variation de pas d'une éolienne.

Sur les grandes machines, le calage est souvent commandé par des moteurs électriques : soit un moteur par pale, synchronisés entre eux, soit un moteur unique pour l'ensemble. Des moteurs pas à pas démultipliés entraînent des pignons qui engrènent sur une couronne dentée fixée au pied de chaque pale.

Quelle que soit la méthode, le dispositif contrôle le pas en permanence :

1. au démarrage, il donne aux pales un calage qui facilite la mise en rotation ;
2. entre le vent de démarrage et le vent nominal, il fait travailler la machine au maximum de son rendement aérodynamique ;
3. entre le vent nominal et le vent maximal, il augmente le pas pour limiter la puissance captée ;
4. au vent maximal, il arrête l'éolienne en mettant ses pales en drapeau.

Le même principe s'applique aux hydroliennes dont les pales sont orientables.

Pour aller plus loin, nous pouvons revenir sur le vrillage et le calage des profils, ou voir comment la vitesse de rotation de l'hélice fixe son point de fonctionnement.