Une pale d'hélice ou d'éolienne est une aile tournante : un profil aérodynamique ou hydrodynamique, répété sur toute sa longueur, dont la corde et le calage changent avec le rayon. Une hélice ou une éolienne se compose essentiellement d'un moyeu et de pales. La forme de la pale (profils, corde, vrillage) résulte d'un compromis entre la portance qu'elle produit, la résistance mécanique qu'il lui faut et la matière que nous acceptons d'y mettre. Cette page explique ce compromis, puis passe en revue les matériaux et les techniques de fabrication, pour les hélices d'avion, les hélices de bateau et les éoliennes.

Au sommaire :

• Pale d'éolienne et pale d'hélice : une aile tournante
• Vrillage de la pale et calage des profils
• Pas variable et nombre de pales
• Forme de la pale : distribution des cordes et allongement
• Fabrication d'une pale d'hélice d'avion : bois, duralumin, acier, carbone
• Fabrication d'une pale d'hélice de bateau : le moulage
• Fabrication d'une pale d'éolienne : fibre de verre, pultrusion, enroulement

1 : Pale d'éolienne et pale d'hélice : une aile tournante

La pale de l'hélice, ou la pale d'éolienne, peut être considérée comme une aile tournante. Sa forme est définie par des profils choisis pour leurs performances aérodynamiques. Ces profils sont répartis le long de la pale pour réaliser le meilleur compromis entre la résistance de la pale et la production de portance.

Le profil d'une section se caractérise par sa corde (la ligne qui joint son bord d'attaque à son bord de fuite) et par son épaisseur. Les profils proches du pied de pale sont plus épais, parce qu'ils supportent plus d'effort. Ceux du bout sont plus minces et travaillent à plus grande vitesse.

2 : Vrillage de la pale et calage des profils

La rotation de l'hélice engendre une vitesse et un angle apparents qui varient selon la position du point observé sur le rayon de la pale. Le calage est l'angle entre la corde du profil et le plan de rotation ; il vaut la somme de l'angle apparent et de l'angle d'incidence. Pour garder une incidence optimale, le calage des profils doit donc être ajusté aux vitesses apparentes le long de la pale.

Sur un profil de pale : la vitesse du fluide et la vitesse engendrée par la rotation donnent la vitesse apparente. L'angle apparent est son angle avec le plan de rotation, l'angle de calage est celui de la corde, et l'incidence est l'écart entre les deux.

Le calage des profils varie donc le long de la pale et provoque son vrillage. Le vrillage de la pale d'hélice ou d'éolienne est l'angle mesuré entre la corde du profil au pied de pale et la corde du profil au bout de pale. Il est lié au point de fonctionnement : si le point de fonctionnement varie, le vrillage devrait être modifié. Or les pales d'hélice et d'éolienne sont en général rigides, et leur vrillage est donc fixe.

Une hélice à six pales modélisée dans Heliciel : en suivant une pale du moyeu vers le bout, on voit les profils tourner progressivement sur leur axe, c'est le vrillage.

Une variation de la vitesse de rotation ou de la vitesse du fluide, par rapport au point de fonctionnement de construction, dégrade les performances de l'hélice ou de l'éolienne.

3 : Pas variable et nombre de pales

La variation du pas consiste à faire tourner la pale sur son axe, de façon à corriger cette perte de performance. Sur les éoliennes, elle sert aussi à réguler la vitesse de rotation.

Le nombre de pales de l'éolienne ou de l'hélice varie selon le couple et la vitesse au point de fonctionnement. Ainsi, une éolienne de pompage n'a pas le même nombre de pales qu'une éolienne de production d'électricité. Une hélice de voilier a une forme de pale bien différente de celle d'une hélice de hors-bord.

4 : Forme de la pale : distribution des cordes et allongement

Une pale d'éolienne modélisée en 3D et découpée en éléments, chacun portant son profil : c'est le découpage qu'utilise la méthode des éléments de pale.

Nous avons vu, dans l'article sur la distribution de corde des profils, que la portance des pales d'éoliennes et d'hélices doit être répartie le plus loin possible des fuites de bout de pale. Cela conduit à une répartition elliptique de la portance, mais pas des cordes. Les éléments de la pale se déplacent plus lentement près du pied ; la surface doit donc y être augmentée, pour respecter la distribution elliptique de portance, qu'il s'agisse d'une éolienne, d'une hélice ou d'une hydrolienne.

Trois distributions de corde pour une même pale : (a) proche de l'optimum, large au pied et fine au bout ; (b) linéaire ; (c) constante, la plus simple à fabriquer.

Un compromis entre le surcoût de matière et le rendement gagné doit être évalué, car la matière utilisée au pied de pale devient très importante. Un fort allongement des pales offre en général un meilleur rendement. Mais pour les hélices de bateau, la longueur des pales est réduite par la profondeur maximale de l'arbre d'hélice, par la vitesse en bout de pale (qui engendre vite de la cavitation quand la pale se rapproche de la surface) et par le tirant d'eau limité. Ces contraintes imposent des formes de pale bien différentes de celles des pales d'avion ou d'éolienne.

Contours développés de pales d'hélices de bateau à cinq pales (série B5, de B5-45 à B5-105) : plus le rapport de surface est grand, plus la pale est large. Ces formes courtes et larges n'ont rien de commun avec une pale d'avion.

5 : Fabrication d'une pale d'hélice d'avion : bois, duralumin, acier, carbone

Le matériau et la structure de la pale sont pris en compte dans le calcul de résistance de l'hélice ou de l'aile par Heliciel. Un tour d'horizon des techniques et des matières de construction nous sera utile.

Le bois. Pour les hélices en bois, celles du début de l'aviation et celles qui équipent encore l'aviation légère, le meilleur matériau est le noyer. On peut aussi utiliser l'acajou, le palissandre, l'ébène, le hêtre, l'orme, le frêne, le buis ou l'érable.

Le duralumin. Quand le métal a remplacé le bois, c'est le duralumin qui fut choisi dans la grande majorité des cas. Il n'a pu l'être qu'après des années de travail des métallurgistes pour mettre au point son forgeage. Vers 1920, on savait bien étirer et laminer le duralumin, mais pas le forger en volumes assez gros pour constituer une pale d'hélice. Sous l'action du pilon, il se comportait un peu comme un bloc de caoutchouc : il se détendait, au lieu de prendre progressivement la forme comme le fait un bloc d'acier. Aujourd'hui, les pales de duralumin sont obtenues par forgeage et estampage, selon des techniques très au point.

Le magnésium. On a naturellement cherché à remplacer le duralumin par un métal plus léger encore : le magnésium en alliage. La légèreté de la pale est un atout, car les efforts centrifuges, qui atteignent plusieurs dizaines de tonnes sur les grandes hélices, sont proportionnels à la masse volumique du matériau. Alléger la pale réduit donc les sections, le poids et l'encombrement des pièces du moyeu. En revanche, le forgeage des pales en magnésium demande un outillage plus puissant que celui du duralumin, et la mise au point du matriçage pour fabriquer les pales a apporté une solution.

L'acier. Il sert pour les hélices de grandes dimensions. La pale est alors creuse, faite de deux demi-coquilles embouties, soudées sur leur pourtour et munies de raidisseurs internes. La tenue des soudures a demandé une longue mise au point, car les tôles « glissaient » l'une sur l'autre dans les premières réalisations.

Le carbone. Il est de plus en plus utilisé et semble s'imposer, grâce à sa légèreté et à sa résistance. Il demande une parfaite maîtrise du moulage pour obtenir un bon équilibrage et l'absence de défauts.

Une hélice d'avion en carbone (taille de modélisme) : la pale est moulée en une seule pièce.

6 : Fabrication d'une pale d'hélice de bateau : le moulage

Les pales des hélices de bateau sont généralement moulées. On construit d'abord un lit de moule, que l'on surface au pas de l'hélice grâce à une planche qui tourne et glisse autour d'un axe, guidée par un rail donnant le pas.

La planche de lissage tourne autour de l'axe de rotation et glisse le long du rail : le rail donne le pas, et la planche surface le lit du moule à ce pas.

Le lit du moule est creusé et formé grâce à des planches taillées aux formes des profils de la pale.

Des planches découpées à la forme des profils, posées le long de la pale, donnent sa forme au creux du moule.

Le dessus du moule est réalisé de la même façon, puis la pale est coulée.

Coupe d'un moule de coulée : le métal descend par la descente de coulée (down-gate), remplit la cavité entre le lit et le dessus du moule, et la masselotte (riser head) en haut compense le retrait en refroidissant.

Une nouvelle génération d'hélices voit le jour avec le carbone, qui entre et s'impose sur le marché de l'hélice de bateau.

7 : Fabrication d'une pale d'éolienne : fibre de verre, pultrusion, enroulement

Les matériaux utilisés aujourd'hui sont principalement la fibre de verre ou de carbone, imprégnée de résine polyester ou époxy. Le bois reste utilisé surtout pour les petites éoliennes bipales, dont les deux pales sont taillées dans la même pièce de bois. Raccorder des pales en bois à un moyeu peut s'avérer délicat, à cause de la fatigue et de la force centrifuge.

Pour les petites éoliennes, on utilise parfois la pultrusion de fibre de verre. Les pales pultrudées passent à travers une filière qui leur donne leur profil, mais la distribution de corde est forcément constante. Les pales moulées permettent donc de créer des formes aérodynamiques plus performantes que les pales pultrudées.

Trois étapes de construction d'une pale moulée : la coque et ses raidisseurs internes, la section en place dans son moule, puis le moule devant l'enceinte où la résine polymérise.

Une autre méthode en fibre et résine, l'enroulement filamentaire, consiste à enrouler un fil enduit de résine autour d'un noyau, que l'on fait tourner sur un tour.

Les cinq étapes de l'enroulement filamentaire : le noyau (1), l'enroulement du fil et de la résine époxyde (2), la mise en forme (3 et 4), puis la pale terminée (5).

Là aussi, le carbone fait son apparition, mais il est plutôt réservé aux petites éoliennes, à cause du prix de la matière première.

Pour aller plus loin, nous pouvons voir comment le vrillage et le calage des profils se calculent, comment choisir le rayon du pied de pale, ou revenir sur la fonction « reconstruire » d'Heliciel, qui recalcule le vrillage pour un point de fonctionnement donné.