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

Pour une hélice de bateau, Heliciel trouve la vitesse de rotation optimale en cherchant le régime qui offre le meilleur rendement cinétique ; la poussée se règle ensuite avec le régime, la surface des pales, le nombre d'hélices ou les profils. Dans cette troisième partie, nous construisons l'hélice bipale de la partie 2, nous cherchons son régime optimal, puis nous comparons les leviers qui permettent d'atteindre les 105 newtons de poussée du cahier des charges.

Au sommaire :

• Rechercher la vitesse de rotation optimale
• Comparer les performances au cahier des charges
• Premier levier : augmenter la vitesse de rotation
• Deuxième levier : augmenter la surface des pales
• Autres leviers : deuxième hélice et profils

1 : Rechercher la vitesse de rotation optimale de l'hélice de bateau

Nous avions laissé la vitesse de rotation de côté en définissant le point de fonctionnement : il est temps de nous en occuper. Voici l'ébauche bipale construite dans la partie 2.

L'ébauche d'hélice bipale de la partie 2, dont nous cherchons maintenant le régime.

Nous pourrions tester des vitesses de rotation en modifiant ce paramètre puis en reconstruisant, jusqu'à trouver un bon rendement. Ces itérations risquent d'être longues et fastidieuses. Nous découvrons donc une fonction d'Heliciel : l'optimisation de la vitesse de rotation en fonction du rendement optimal. Nous sélectionnons l'onglet 3 : Optimiser.

Le bouton « recherche de vitesse de rotation optimum pour hélice 2 pales », dans le groupe « Recherche détaillée de la vitesse de rotation offrant le rendement maximum ». L'infobulle précise que la procédure peut prendre plusieurs minutes.

Nous cliquons sur ce bouton. Heliciel exécute la recherche de la vitesse de rotation qui offre le rendement cinétique maximal. Le rendement propulsif ne sert pas de référence dans cette procédure, car il n'aurait pas de signification pour les hélices dont la vitesse du fluide est proche de zéro.

Nous obtenons ici un rendement cinétique de 0,86 à 200 tours par minute.

Rendement de l'hélice en fonction de la vitesse de rotation : 0,72 à 50 tr/min, 0,83 à 100, 0,86 à 200, puis 0,84 à 250. Le message en bas à gauche donne le maximum, 0,8611814 à 200 tr/min.

À la fin de la recherche, Heliciel nous demande si nous voulons reconstruire l'hélice 3D. Nous cliquons sur « Oui » pour actualiser le modèle. L'hélice est reconstruite avec un nouveau vrillage, adapté à sa vitesse de rotation optimale.

L'hélice reconstruite à 200 tr/min : poussée de -28,5 N, puissance utile de 44,21 W et puissance à l'arbre de 51,32 W.

2 : Comparer les performances de l'hélice au cahier des charges

Le rendement propulsif de notre hélice, (poussée × vitesse) / (couple à l'arbre × vitesse de rotation), vaut 0,861 : c'est proche du maximum. C'est bien, mais les performances de plus près nous montrent autre chose.

Les afficheurs de performances d'Heliciel : force axiale -28,5 N, couple 2,5 N.m autour de l'axe, puissance utile 44,21 W et puissance à l'arbre 51,32 W.

• La poussée de notre hélice (force axiale) est d'environ -29 newtons. Le signe négatif indique que la force est opposée au sens du fluide ;
• la puissance à l'arbre est de 51,32 W.

Nous sommes loin de notre cahier des charges de base :

• vitesse de croisière : 3 nœuds ;
• force de poussée nécessaire : 105 newtons ;
• puissance disponible à l'arbre d'hélice : 192 watts.

Comment augmenter la poussée pour obtenir nos 105 newtons ? Cette question nous permet d'approfondir l'optimisation de l'hélice. Plusieurs solutions s'offrent à nous.

3 : Augmenter la poussée avec la vitesse de rotation

C'est la solution la plus simple : il suffit de modifier la vitesse jusqu'à obtenir la poussée recherchée. Essayons tout de suite, en augmentant la vitesse jusqu'à atteindre notre puissance disponible à l'arbre. Après quelques essais de modification de la vitesse et de reconstruction , nous obtenons 206 W pour 105 newtons de poussée à 460 tr/min, avec un rendement de 0,79. Nous nous approchons de notre cahier des charges.

À 460 tr/min (vitesse de bout de pale 34,7 km/h) : force axiale -104,7 N, soit les 105 N visés, et histogramme des rendements propulsif et cinétique.

4 : Augmenter la surface des pales (nombre de pales, largeur)

Deux méthodes nous permettent d'augmenter la surface de pales.

• Augmenter le nombre de pales.
  • Avantage : quand le diamètre ne doit pas augmenter (c'est souvent le cas pour des bateaux qui doivent rester navigables en eau peu profonde), un plus grand nombre de pales augmente la poussée.
  • Inconvénient : le poids, la complexité et le prix de l'hélice augmentent vite.
• Augmenter la largeur des pales.
  • Avantage : en augmentant la largeur des cordes des profils, nous augmentons la surface de portance des profils et le risque de cavitation diminue.
  • Inconvénient : les pertes de bout de pale sont d'autant plus faibles que les pales sont allongées. En augmentant la largeur sans augmenter la longueur, nous augmentons la proportion de pertes en bout de pale.

5 : Autres leviers : une deuxième hélice et de meilleurs profils

• Augmenter le nombre d'hélices. Nous pourrions ajouter une hélice contrarotative.
  • Avantage : l'hélice aval peut redresser le flux tangentiel, et le rendement global des deux hélices couplées est meilleur.
  • Inconvénient : la réalisation est plus complexe et plus chère.
• Augmenter la performance des profils de pale. Rechercher les formes de profils optimales demande une analyse comparée des performances des différents profils à notre disposition. Cette solution nous plonge au cœur d'Heliciel, développé pour trouver facilement les meilleurs profils grâce à sa base de données.

Le rayon de pied de pale reste celui fixé dans la partie 2 (20 mm), et les cordes aussi : dans cette partie, seul le régime, et donc le vrillage, a changé. Pour aller plus loin, nous pouvons choisir le meilleur profil de pale, avec la finesse et le nombre de Reynolds, dans la partie 4 du didacticiel.

← Partie 2 : paramètres et géométrie · Partie 4 : sélection des profils →