Nombre de pales d'une hélice : comment choisir pour un avion, un bateau ou une éolienne

Une hélice à sept pales de 0,14 m étudiée dans Heliciel (prototype 3D, 8 000 tr/min, fluide à 34 m/s) : la solidité du disque grandit avec le nombre de pales.

Le nombre de pales d'une hélice se choisit pour absorber la puissance du moteur sans trop pénaliser le rendement : plus la puissance est forte, plus la solidité du disque doit grandir, et le plus simple pour l'augmenter est d'ajouter des pales. Il n'existe pas de réponse du type « le meilleur nombre de pales est 5 » : le choix reste un compromis entre rendement, diamètre, vitesse en bout de pale, poids, bruit et, dans l'eau, cavitation. Nous exposons ici le raisonnement, valable pour l'hélice d'éolienne, la propulsion de bateau, l'hélice d'avion ou le ventilateur.

Au sommaire :

• Pourquoi un moteur plus puissant demande-t-il plus de pales ?
• Les six leviers pour absorber plus de puissance
• Pourquoi quatre de ces leviers sont limités
• La solidité de l'hélice : corde ou nombre de pales ?
• Quand le moyeu est plein : l'hélice contrarotative
• Choisir selon l'application : avion, bateau, éolienne, ventilateur

1 : Pourquoi un moteur plus puissant demande-t-il plus de pales ?

Nous avons déjà parlé de l'influence du nombre de pales dans l'article sur l'optimisation de la vitesse de rotation et du nombre de pales d'une hélice. Mais le cahier des charges d'une hélice comporte beaucoup d'autres contraintes. Dans un liquide, par exemple, le nombre de pales permet aussi d'agir sur la cavitation.

Pour comprendre pourquoi une hélice demande plus de pales quand le moteur s'améliore, rappelons son rôle. Elle doit absorber la puissance du moteur et la transmettre au fluide qui traverse son disque. L'énergie ainsi donnée au fluide pour l'accélérer engendre une force de poussée sur les pales. Si l'hélice et le moteur sont mal appariés en puissance, le système perd en efficacité et la performance en souffre.

2 : Les six leviers pour absorber plus de puissance

Quand la puissance du moteur augmente, le concepteur dispose d'un nombre limité d'options pour dessiner une hélice capable d'en absorber davantage :

1. Augmenter l'incidence des profils de pale. La portance des pales augmente, ce qui permet de donner plus d'énergie au débit de fluide.
2. Augmenter le diamètre du disque de l'hélice, c'est-à-dire allonger les pales. Les pales transfèrent plus d'énergie en agissant sur un plus grand volume de fluide.
3. Augmenter la vitesse de rotation de l'hélice. La même quantité d'énergie est transférée, mais en un laps de temps plus court.
4. Augmenter la cambrure (ou courbure) des profils. Une pale d'hélice est composée de profils, comme une aile. Augmenter sa cambrure crée une plus grande force de poussée, comme la cambrure d'une aile crée une plus grande portance.
5. Augmenter la corde (ou largeur) des pales.
6. Augmenter le nombre de pales.

3 : Pourquoi quatre de ces leviers sont limités

Plusieurs de ces options créent plus de problèmes qu'elles n'en résolvent, et elles sont en général impraticables pour des raisons diverses :

1. Incidence : elle est fixée par l'angle qui optimise l'efficacité aérodynamique de la pale, c'est-à-dire la meilleure finesse (rapport portance/traînée). La changer revient à perdre en efficacité pour en gagner ailleurs. (L'article d'origine écrivait « longueur de pale » à cet endroit ; c'est bien de l'incidence qu'il s'agit.)
2. Diamètre : allonger les pales augmente la vitesse en bout de pale, ce qui pose un problème important (voir le point suivant). Pour un avion, une hélice plus grande exige aussi un train d'atterrissage plus long pour que la pale ne racle pas la piste, ce qui a un effet domino sur d'autres structures et alourdit l'appareil.
3. Vitesse de rotation : si la vitesse en bout de pale approche ou dépasse la vitesse du son, les performances aérodynamiques des profils peuvent chuter.
4. Cambrure du profil : les profils sont choisis pour optimiser l'efficacité aérodynamique. Les modifier sacrifie de nouveau un type d'efficacité à un autre, et une cambrure plus forte peut aussi poser des problèmes de structure de pale.

4 : La solidité de l'hélice : corde ou nombre de pales ?

Il reste donc deux leviers : la corde et le nombre de pales. Tous deux augmentent la solidité de l'hélice. La solidité compare la surface du disque occupée par des éléments solides, les pales, à la surface laissée ouverte au passage du fluide. Plus elle est élevée, plus l'hélice peut transférer de puissance au fluide.

On peut la chiffrer. Pour N pales de corde moyenne c et de rayon R, la solidité vaut σ = N·c/(π·R). Prenons un exemple hypothétique : trois pales de 0,10 m de corde moyenne sur une hélice de 1 m de rayon donnent σ ≈ 0,095. Avec cinq pales identiques, σ ≈ 0,16. À corde égale, doubler le nombre de pales double σ ; doubler la corde à nombre de pales égal le double aussi, mais au prix d'un allongement moindre.

Augmenter la corde est le geste le plus simple, mais aussi le moins efficace. Le rapport entre la longueur et la surface de la pale, l'allongement, diminue, et les pertes en bout de pale augmentent, ce qui fait chuter les performances. Augmenter le nombre de pales est donc l'approche la plus attrayante. À mesure que la puissance des moteurs a augmenté au fil des années, les concepteurs d'aéronefs ont ajouté de plus en plus de pales.

5 : Quand le moyeu est plein : l'hélice contrarotative

Une fois qu'ils ont manqué de place sur le moyeu, les concepteurs ont adopté l'hélice contrarotative, c'est-à-dire deux hélices coaxiales qui tournent en sens inverse. Elles apportent aussi un gain de rendement, car la seconde hélice récupère une partie de l'énergie dépensée à mettre le fluide en rotation lors de son passage dans la première.

L'histoire de l'hélice d'avion montre la même logique : la tripale remplace la bipale vers 1930, pour ses avantages gyroscopiques et un diamètre réduit d'environ 7 % selon Jean Grampaix. La quadripale apporte les mêmes améliorations, mais son rendement est un peu moindre, car les pales interagissent.

6 : Choisir selon l'application : avion, bateau, éolienne, ventilateur

Le raisonnement ci-dessus part d'un moteur qui impose sa puissance. Selon l'application, d'autres critères pèsent dans le choix, et nous les citons sans les chiffrer, car ils dépendent de chaque projet :

• Hélice de bateau : dans l'eau, plus de pales répartissent la charge sur une surface plus grande, ce qui aide à limiter la cavitation. C'est un des arguments qui font monter le nombre de pales sur les hélices marines.
• Hélice d'avion : le diamètre est limité par la vitesse en bout de pale et par la garde au sol, ce qui pousse à ajouter des pales plutôt qu'à allonger la pale.
• Éolienne : la machine fonctionne à un rapport de vitesse en bout de pale (rapport entre la vitesse du bout de pale et celle du vent) souvent élevé, et c'est dans cette situation que l'on retient peu de pales. Nous reprenons ce point sur la page de l'hélice d'éolienne et d'hydrolienne.
• Ventilateur : le ventilateur cherche surtout un débit et une pression, souvent à vitesse de bout de pale modérée et sous contrainte de bruit. Le même compromis s'applique, avec ses propres priorités.

Le bruit entre aussi dans le choix. Il augmente avec la vitesse en bout de pale ; plus de pales à diamètre et régime plus faibles permettent de réduire cette vitesse pour une même puissance absorbée. C'est la raison pour laquelle on cherche à la fois la solidité et un régime modéré.

Cet article est librement inspiré d'un article de Jeff Scott, que nous avons traduit et complété.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment la vitesse de rotation fixe le point de fonctionnement, ou lire l'histoire de l'hélice d'avion pour voir comment le nombre de pales a évolué.