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

Pour concevoir une hélice de bateau dans Heliciel, nous saisissons d'abord les paramètres de fonctionnement (fluide, objectif, profil, nombre de pales, vitesse), puis nous définissons la géométrie des pales : longueur, rayon de pied, cordes. Dans la partie 1, nous avons rédigé le cahier des charges. Voyons maintenant comment l'obtenir, en partant d'un modèle d'hélice propulsive pour l'eau.

Au sommaire :

• Ouvrir le modèle d'hélice de bateau et vérifier ses paramètres
• Choisir le nombre de pales et la vitesse du bateau
• Déterminer le diamètre et la longueur de pale
• Régler le moyeu, les cordes et la forme de la pale
• Construire l'hélice et observer le modèle 3D

1 : Ouvrir un modèle d'hélice de bateau et vérifier ses paramètres

Nous ouvrons un modèle d'hélice propulsive pour l'eau (bateau) dans Heliciel, comme à la fin de la partie 1.

Fichier > Nouveau projet (partir d'un modèle) : choix de l'hélice propulsive eau.

Ce projet par défaut règle déjà trois paramètres, que nous vérifions un par un. D'abord, les paramètres fluide sont ceux de l'eau de mer.

Onglet 1.1 : Fluide. Heliciel affiche l'eau de mer, ici à 10 °C, d'une masse volumique de 1 028 kg/m³.

Ensuite, l'objectif du projet est réglé sur hélice propulsive.

Onglet 1.2 : Objectif. Le choix « Hélice propulsive » est coché.

Enfin, la loi de profil est réglée sur un profil constant, le NACA 1408 : tous les éléments de la pale reçoivent ce même profil.

Onglet 2.2 : Loi de profils. La loi « constante » applique le naca1408 (épaisseur relative 0,080) à toute la pale.

2 : Choisir le nombre de pales et la vitesse du bateau

Le projet par défaut d'une hélice de propulsion dans l'eau compte 5 pales. Nous désirons une hélice de construction simple : nous modifions donc tout de suite le nombre de pales dans l'onglet 3 : Optimiser et nous le ramenons à 2.

Onglet 3 : Optimiser. Le réglage « Modifier le nombre de pales » est ramené à 2.

Nous réglons ensuite le point de fonctionnement, notamment la vitesse de croisière, dans l'onglet 1.3 : Point de fonctionnement. Nous saisissons 1,55 m/s pour la vitesse du fluide en amont de la pale, soit 3 nœuds (Heliciel affiche 3,013 nœuds, ou 5,580 km/h).

Onglet 1.3 : Point de fonctionnement. La vitesse du fluide en amont est de 1,55 m/s, convertie par Heliciel en km/h et en nœuds.

Nous laissons de côté la vitesse de rotation pour l'instant, car nous ne la connaissons pas encore. Après la définition de la géométrie, nous utiliserons la fonction de recherche de la vitesse de rotation optimale (partie 3).

3 : Déterminer le diamètre de l'hélice et la longueur de pale

Passons à la géométrie des pales. Nous déterminons d'abord le diamètre. Nous avons vu que les pertes de portance en bout de pale (voir les pertes en bout d'aile ou de pale) peuvent diminuer le rendement si la pale est courte et si la portance se répartit trop près du bout. Nous cherchons donc une pale la plus longue possible, large au pied de pale et étroite en bout de pale.

La longueur de pale maximale se cherche en tenant compte de la profondeur navigable minimale (l'hélice ne doit pas racler le fond) et de la position de l'arbre d'hélice : la distance entre la coque et l'arbre détermine aussi le rayon maximal.

Après de nombreuses discussions entre :

• le concepteur de la coque ;
• l'utilisateur du bateau ;
• le mécano qui va implanter le moteur ;
• Pythagore, qui nous dit que l'angle de l'arbre d'hélice avec la surface doit rester le plus faible possible pour que la force appliquée soit bien orientée ;
• le voisin qui passe par là ;
• le beau-frère du voisin et son petit dernier, qui veut grimper dans le bateau encore plein de résine ;
• la passagère, qui nous dit qu'il ne faudrait pas se mouiller les genoux en descendant,

nous décidons, pour satisfaire tout le monde, que la pale pourra avoir une longueur maximale de 200 mm, soit une hélice de diamètre 400 mm. Nous réglons donc cette longueur à 200 mm dans l'onglet 2 : Géométrie pale, section 2.1. Heliciel y demande le rayon au bout de la pale, c'est-à-dire la distance entre l'axe de rotation et le bout de pale, soit le diamètre divisé par 2.

Onglet 2.1 : Dimensions pale. Le rayon au bout de pale vaut 200 mm, ce qui donne un diamètre de 400 mm.

4 : Régler le rayon de pied de pale, les cordes et la forme de la pale

Le pied de pale se règle avec un curseur, en pourcentage de la longueur de pale. Le rayon au pied de pale détermine le diamètre du moyeu. Nous choisissons un moyeu de 40 mm pour y loger un système de fixation des pales : le rayon au pied de pale est donc de 20 mm, soit 10 % de la longueur de pale. La partie de la pale proche de l'axe fournit peu de poussée, car sa vitesse est faible par rapport à celle du bout de pale. Nous évitons de descendre au-dessous de 10 % de la longueur de pale.

Le curseur de position du pied de pale : 10 % du rayon de bout de pale, soit un rayon de pied de pale de 20 mm.

Nous réglons la largeur de pale au pied (corde du profil de pied de pale) à 100 mm, et la largeur en bout de pale (corde du profil de bout de pale) à 20 mm.

Le groupe « Largeur de pale » : corde de 100 mm au pied, de 20 mm au bout, et le bouton « Linéariser » au centre.

Pour la distribution des cordes intermédiaires, nous cliquons sur Linéariser : Heliciel répartit alors les cordes de façon linéaire entre le pied et le bout de pale.

Le graphique des cordes (en bleu) et des épaisseurs (en vert) : la corde diminue en ligne droite du pied de pale vers le bout.

5 : Construire l'hélice de bateau et observer le modèle 3D

Notre géométrie, une ébauche provisoire, est déterminée. Nous lançons la construction et testons les performances de notre modèle avec la fonction Reconstruire hélice, dans la barre d'outils en haut à gauche du logiciel : . À chaque modification de la géométrie, le bouton Reconstruire s'active pour nous indiquer que l'hélice doit être reconstruite si nous voulons actualiser les résultats et le modèle 3D.

Nous obtenons notre hélice :

L'ébauche d'hélice bipale dans le prototype 3D d'Heliciel, avec les histogrammes de coefficients, les jauges de poussée et de couple, et les puissances.

Le bouton de contrôle de la rotation, dans la barre d'outils située sous le modèle 3D, arrête la rotation de l'hélice pour l'observer.

Pour aller plus loin, nous pouvons maintenant choisir la vitesse de rotation en fonction des performances recherchées, dans la partie 3 du didacticiel.

← Partie 1 : cahier des charges · Partie 3 : vitesse de rotation optimale →