Hélice de bateau 1/5 : rédiger le cahier des charges

Partie 1 · Partie 2 · Partie 3 · Partie 4 · Partie 5

Pour concevoir une hélice de bateau, nous commençons par rédiger un cahier des charges : la vitesse de croisière, la poussée à fournir, la puissance disponible à l'arbre et le diamètre maximal. Dans cette série de cinq didacticiels, nous réalisons pas à pas avec Heliciel l'hélice d'un bateau de promenade électrique. Cette première partie fixe les quatre données d'entrée, et nous verrons comment les obtenir quand elles ne figurent dans aucune notice.

Au sommaire :

• Notre projet : l'hélice d'un bateau électrique
• Les données à rassembler avant de modéliser
• Connaître la résistance à l'avancement, donc la poussée
• Puissance disponible et vitesse de croisière
• Le cahier des charges retenu

1 : Notre projet, l'hélice d'un bateau électrique

Au terme de ces cinq didacticiels, vous aurez acquis les connaissances de base pour concevoir une hélice marine. Vous aurez aussi pris en main le logiciel, et vous saurez créer des hélices aériennes, de ventilation, des éoliennes ou des turbines.

Heliciel nous permet de réaliser une hélice sur mesure, d'après notre cahier des charges, en définissant la géométrie et en évaluant les performances. Un plan de pale, constitué de ses profils avec leurs calages, peut être édité. Un modèle 3D peut également être réalisé pour le prototypage.

La conception d'une hélice fait appel à de multiples compétences et à des années d'expérience, théorique comme pratique. Nous pouvons pourtant réaliser un projet en autonomie, quel que soit notre niveau en théorie et en mathématiques. Nous faisons ainsi nos premiers pas, ou nous approfondissons nos compétences, avec une hélice au rendement honorable.

Notre projet est l'hélice de propulsion d'un bateau électrique. Nous prenons pour exemple un bateau de promenade de 5 mètres, propulsé par un moteur alimenté par une source de 300 W. Cette faible puissance impose qualité et rendement à l'hélice !

2 : Les données à rassembler avant de modéliser l'hélice

Avant de commencer, nous rassemblons quatre données :

• la poussée recherchée ;
• la vitesse de croisière espérée ;
• la puissance disponible ;
• le diamètre maximal de l'hélice.

La poussée de l'hélice doit correspondre à la résistance à l'avancement du bateau, à la vitesse de croisière espérée. Cette vitesse et cette poussée sont donc liées : nous ne pouvons pas choisir l'une sans l'autre.

3 : Comment connaître la résistance à l'avancement et la poussée recherchée ?

Plusieurs méthodes existent pour estimer la résistance à l'avancement (donc la poussée recherchée) d'un bateau à sa vitesse de croisière :

• L'idéal est de faire un test en grandeur nature : nous remorquons la coque et nous mesurons la force de remorquage pour une série de vitesses, jusqu'à la vitesse de croisière espérée.
• Nous pouvons collecter sur internet ou dans la littérature navale des données de résistance à l'avancement de bateaux similaires.
• Nous pouvons mesurer la résistance d'un modèle réduit en bassin, puis utiliser la similitude de Froude pour extrapoler aux grandeurs réelles.
• La part de la résistance due à la traînée de forme peut être en partie extrapolée avec un logiciel comme Mecaflux. C'est la méthode des doubles modèles : nous prenons une ellipsoïde de même longueur et de même largeur que la coque, et nous estimons que la traînée de forme de la coque vaut la moitié de celle d'une ellipsoïde entièrement immergée.
• Nous pouvons enfin modéliser la coque avec Heliciel.

À ce stade d'avant-projet, nous choisissons Mecaflux, un logiciel disponible sur le site mecaflux.com. Il s'agit d'une estimation, pas d'une mesure : elle ne remplace pas un essai de remorquage de la coque.

Fenêtre « Traînée et portance de profils » de Mecaflux : ellipsoïde de 5 m par 1,5 m dans l'eau à 1 nœud, avec la force de traînée (23,38 N) et la puissance consommée (12,03 W).

4 : Puissance disponible, rendement et vitesse de croisière maximale

Mecaflux donne aussi la puissance consommée par cette traînée. Nous disposons de 300 W à la source. Le rendement d'un moteur tourne autour de 0,8, celui de notre transmission est estimé à 0,8, et nous espérons 0,8 pour l'hélice. Le rendement global vaut donc 0,8 × 0,8 × 0,8, soit environ 0,5. Nous pouvons ainsi appliquer au fluide une puissance utile d'environ 0,5 × 300 = 150 W.

Nous entrons des vitesses de croisière de 1 à 4 nœuds pour une ellipsoïde de 5 m par 1,5 m. Mecaflux rend une série de traînées de forme, que nous divisons par deux selon la méthode des doubles modèles :

1. 1 nœud : 23 N / 2 = 11,5 N (puissance de traînée 12 W / 2 = 6 W) ;
2. 2 nœuds : 93 N / 2 = 46,5 N (puissance de traînée 96 W / 2 = 48 W) ;
3. 3 nœuds : 210 N / 2 = 105 N (puissance de traînée 324 W / 2 = 162 W) ;
4. 4 nœuds : 374 N / 2 = 187 N (puissance de traînée 769 W / 2 = 384 W).

Avec une source de 300 W et un rendement global de 0,5, la vitesse de croisière maximale pourra difficilement dépasser 3 nœuds, car la puissance de traînée atteint déjà 162 W à cette vitesse. Nous pouvons ranger les skis nautiques : ce n'est pas pour aujourd'hui.

Les 300 W sont ceux de la source d'énergie. Avec un rendement de 0,8 pour le moteur et de 0,8 pour la transmission, le rendement entre la source et l'arbre d'hélice est de 0,8 × 0,8 = 0,64. Nous pouvons donc espérer à l'arbre une puissance de 300 W × 0,64 = 192 W au maximum. À 3 nœuds, l'hélice devra convertir ces 192 W en 162 W de puissance utile (105 N à 1,54 m/s), ce qui demande un rendement d'hélice d'environ 0,84 : l'objectif est tendu, et les parties suivantes montrent jusqu'où nous nous en approchons.

5 : Le cahier des charges retenu pour l'hélice de bateau

Nous retenons ces données comme cahier des charges de base :

• vitesse de croisière : 3 nœuds, soit 1,54 m/s ;
• force de poussée nécessaire : 105 newtons ;
• puissance disponible à l'arbre d'hélice : 192 watts.

Il reste la quatrième donnée, le diamètre maximal, que nous fixerons dans la partie 2 avec les contraintes de la coque. Nous ouvrons maintenant un modèle d'hélice propulsive pour l'eau (bateau) dans Heliciel, par le menu Fichier, puis Nouveau projet (partir d'un modèle).

Le menu Fichier > Nouveau projet liste les modèles : hélice propulsive air ou eau, ventilation, captage (éolienne, hydrolienne), pompe axiale, hydrofoil et aile. Nous prenons « Hélice propulsive eau (génération de poussée) ».

Pour aller plus loin, nous pouvons passer à la partie 2 du didacticiel, consacrée aux paramètres de fonctionnement et à la géométrie de l'hélice de bateau, ou retrouver les notions de base sur la page de l'hélice de bateau.

Partie 2 : paramètres et géométrie →