Hélice de bateau : fonctionnement, types et conception

Une hélice de bateau transforme la rotation de l'arbre en poussée : ses pales, de petites ailes en rotation, accélèrent l'eau vers l'arrière, et l'eau pousse en retour la coque vers l'avant. Son rendement dépend du diamètre, du pas, du nombre de pales et du point de fonctionnement du bateau. Nous passons ici en revue les dispositifs qui améliorent le rendement d'une hélice marine, puis les différentes hélices de voilier (fixe, repliable, à mise en drapeau, à pas variable automatique), et nous terminons par le calcul de l'hélice qui convient à votre bateau.

Au sommaire :

• Comment fonctionne une hélice de bateau
• Améliorer le rendement d'une hélice de bateau : les trois zones
• Hélice de voilier : fixe, repliable ou à pas variable automatique
• Calculer et concevoir son hélice de bateau

1 : Comment fonctionne une hélice de bateau

Comme nous l'avons vu dans le bref résumé de l'évolution des formes de l'hélice de bateau durant les siècles derniers, les formes et les systèmes qui promettent d'améliorer les performances de l'hélice marine se sont multipliés. L'enjeu est à la fois économique et écologique : améliorer le rendement des hélices de bateau permet d'économiser de l'énergie, donc du carburant.

Trois grandeurs gouvernent ce rendement : la taille de l'hélice (plus elle est grande, plus elle accélère doucement une grande masse d'eau, avec moins de fuites), son pas, et le point de fonctionnement, c'est-à-dire l'accord entre le régime de l'arbre et la vitesse du bateau. Une hélice trop chargée voit aussi apparaître la cavitation, ces bulles de vapeur qui se forment là où la pression sur la pale tombe trop bas. Les dispositifs ci-dessous cherchent tous à gagner sur l'un de ces points.

2 : Améliorer le rendement d'une hélice de bateau : les trois zones

Les systèmes qui augmentent l'efficacité d'une hélice de bateau se classent en trois catégories, selon leur emplacement par rapport à l'hélice (d'après la référence bibliographique de Carlton) : la zone 1 est en amont de l'hélice, la zone 2 est celle de l'hélice elle-même, la zone 3 est en aval.

La poupe découpée en trois zones : la zone I devant l'hélice, la zone II au niveau des pales, la zone III derrière, vers le gouvernail.

Zone 1 : orienter l'eau qui entre dans l'hélice

L'eau arrive à l'hélice après avoir longé la coque, qui la freine de façon inégale. Les systèmes de la zone 1 orientent ou uniformisent ce flux avant qu'il ne rencontre les pales.

Dispositifs des zones 1 et 1/2 : (a) conduit égaliseur de sillage, (b) plan de carène arrière asymétrique, (c) spoilers de Grothues, (d) tunnel de poupe, (e) hélice carénée intégrée Mitsui, (f) ailettes de réaction, (g) tuyère Hitachi Zosen.

Zone 2 : les systèmes attachés à l'hélice

Le premier est l'hélice à pas variable. Depuis 1960, la part des hélices à pas variable qui équipent les grosses unités navales est passée d'environ 5 à 35 %. D'autres systèmes pour améliorer la propulsion des bateaux par hélice ont aussi été mis au point.

La roue Grim Vane utilise une hélice additionnelle placée dans le sillage de la première. Sa partie interne fonctionne en turbine, qui récupère l'énergie de rotation laissée par la première hélice ; sa partie extérieure, en bout de pale, emploie le couple ainsi récupéré pour produire une poussée supplémentaire. Cette seconde hélice est donc à la fois réceptrice et propulsive.

La roue Grim Vane (en orange) dans le sillage de l'hélice (en bleu) : la partie interne fait turbine, la partie externe fait hélice.

Les plaques de bout de pale. L'hélice marine peut être équipée de plaques en bout de pale, qui agissent comme les winglets des ailes d'avion. Ce dispositif réduit les pertes en bout de pale.

Une hélice de bateau dont chaque pale porte une plaque en bout, qui limite le contournement de la pale par l'eau.

Le carénage. Pour la même raison, le carénage de l'hélice augmente la poussée d'une hélice fortement chargée. Les pertes en bout de pale viennent de la différence de pression entre les deux faces de la pale ; elles pèsent donc beaucoup quand le rapport poussée sur surface est élevé. Le gain de rendement n'est réel que pour les bateaux lents, car le carénage engendre une traînée qui augmente avec le carré de la vitesse du bateau.

Une hélice carénée dans sa tuyère jaune : la tuyère empêche les fuites en bout de pale, ce qui convient aux fortes poussées à faible vitesse.

Zone 3 : redresser et récupérer la rotation du courant

L'hélice ne pousse pas seulement l'eau vers l'arrière : elle la met aussi en rotation, et cette rotation emporte de l'énergie qui ne sert pas à avancer. Les systèmes de la zone 3, placés derrière l'hélice, redressent ce courant et en récupèrent une partie.

Dessin d'un gouvernail et d'une ailette placés derrière l'hélice : ils redressent le courant mis en rotation par les pales.

Qu'il s'agisse de petits bateaux comme les voiliers ou de très grandes unités, constructeurs et fabricants d'hélices rivalisent d'ingéniosité pour faire progresser les propulseurs marins, en tenant compte de leurs conditions d'utilisation.

3 : Hélice de voilier : fixe, repliable ou à pas variable automatique

L'hélice d'un voilier est indispensable pour les manœuvres de port et pour les jours sans vent, mais elle devient un frein quand le bateau marche à la voile. Les fabricants ont donc cherché des solutions à ce problème. Les arrivées et départs à la voile restent la preuve que le capitaine maîtrise l'art de la voile, mais beaucoup de ports les interdisent aujourd'hui, sauf à prétexter une panne de moteur… Voici quelques systèmes d'hélices pour voiliers, avec leur prix approximatif à titre d'information (prix indicatifs, à vérifier auprès des fabricants).

L'hélice fixe

Si l'hélice fixe a été correctement choisie et que ses performances correspondent au point de fonctionnement du bateau, elle reste très efficace pour un bateau qui navigue souvent au moteur (en Méditerranée, par exemple, soit il n'y a pas de vent, soit c'est la tempête… non, je plaisante). Elle n'est efficace que si la vitesse du bateau et le régime du moteur correspondent au point de fonctionnement optimal de l'hélice. Peu de plaisanciers connaissent le point de fonctionnement de leur hélice : la propulsion par moteur reste pour eux un organe de sécurité et de dépannage, et le rendement de l'hélice un détail non prioritaire. Si l'on fait abstraction de la traînée, c'est la meilleure hélice au rapport qualité-prix (environ 400 € neuve, 120 € d'occasion sur un site d'enchères).

À gauche une hélice tripale en bronze neuve, à droite une hélice d'occasion de même type.

Attention : si vous montez une hélice sans savoir si son point de fonctionnement correspond à votre bateau, vous risquez un très mauvais rendement. Même gratuite, elle peut vous coûter une fortune… en énergie : le plein de gazole d'un voilier coûte le prix d'une hélice.

Les hélices repliables ou à mise en drapeau

L'hélice repliable ou à mise en drapeau dérive des recherches de Griffith que nous avons vues dans l'évolution des formes d'hélices de bateau. Quand le navire est sous voiles et que l'arbre ne tourne pas, les pales se mettent en drapeau.

L'hélice à mise en drapeau EWOL (environ 2 990 €) : les pales pivotent grâce à des pignons coniques logés dans le moyeu.

Autre exemple, la SPW Variprofil (environ 2 000 €) :

Hélice tripale en bronze à mise en drapeau, avec sa notice et son kit de montage.

Et la Kiwiprop, à pales composites, plus économique (environ 1 400 €) :

L'hélice Kiwiprop, pales ouvertes puis pales repliées dans l'axe du courant.

D'autres pales se replient dans l'axe du courant grâce à un axe intégré à la pale. Voici la Flexofold (environ 1 700 €) et France Hélice Racing (environ 1 115 €).

Deux hélices repliables : la Flexofold à gauche, France Hélice Racing à droite.

La force de traînée est ainsi considérablement réduite par rapport à une hélice fixe. Il ne faut pas confondre pas variable et pales repliables ou à mise en drapeau. Les pales repliables ont un calage fixe, non réglable en fonctionnement (souvent réglable à l'arrêt), identique quelle que soit la vitesse de rotation de l'arbre et la vitesse du bateau. Si le point de fonctionnement ne correspond pas au réglage du calage, le rendement est, comme pour l'hélice à pas fixe, plutôt moyen…

L'hélice à pas variable automatique

Il existe des hélices dont le pas se règle automatiquement en fonctionnement, en fonction du couple sur la pale, montée désaxée. Ces systèmes sont les plus intéressants en théorie. La tenue dans le temps reste à évaluer, et la variation automatique du calage demande que le couple du moteur, à la vitesse de rotation choisie, soit adapté au réglage de la pale. À suivre !

L'hélice Autoprop (environ 2 200 €) : la pale, désaxée, pivote entre trois positions (drapeau, marche avant, marche arrière).

4 : Calculer et concevoir son hélice de bateau

Avant d'acheter une hélice de bateau, calculez celle qui convient à votre moteur et à votre coque. Le calculateur de pas d'hélice de bateau donne, à partir de la poussée, de la vitesse et du diamètre, le pas, le glissement et l'hélice de la série B de Wageningen qui les tient. Pour comprendre ce que ces grandeurs veulent dire, lisez d'abord la page sur le pas géométrique et le pas effectif.

Pour aller plus loin, nous pouvons construire pas à pas une hélice avec le didacticiel de conception d'une hélice de bateau, comparer le rendement propulsif des hélices de propulsion, ou voir comment choisir le nombre de pales d'une hélice de propulsion.

Pour voir une hélice marine dans l'eau qu'elle pousse, le cas concret hélice bateau CFD la simule de bout en bout en douze minutes, pression sur les pales et sillage en images.