Carénage d'hélice et hélice carénée : pertes en bout de pale, gain et limites

Le carénage d'une hélice est un anneau ou une tuyère qui entoure les pales et empêche le fluide de contourner leur extrémité. Il supprime ainsi le tourbillon de bout de pale, source de pertes pour les hélices courtes ou très chargées. Une hélice carénée gagne donc en rendement, mais elle paie ce gain par la traînée du carénage et par un jeu à tenir en bout de pale. Heliciel permet d'en estimer le bénéfice en cochant l'option d'hélice carénée.

Au sommaire :

• Pourquoi une hélice perd de l'énergie en bout de pale
• Réduire les pertes en bout de pale sans carénage : pale elliptique et winglets
• Simuler une hélice carénée dans Heliciel : l'option et ses limites
• Carénage d'éolienne et limite de Betz
• Carénage d'hélice de propulsion : bateau et remorqueur
• Carénage de ventilateur et de pompe axiale

1 : Pourquoi une hélice perd de l'énergie en bout de pale

Nous l'avons vu avec l'aile : la pression est plus forte sous la pale (l'intrados) que sur le dessus (l'extrados). Au bout de la pale, rien ne retient le fluide, qui contourne l'extrémité pour passer de la surpression vers la dépression. Ce contournement crée un tourbillon marginal, et la portance s'effondre sur la partie de pale qui l'entoure.

Vue du bout de pale : les flèches sous la pale marquent la surpression d'intrados, celles du dessus la dépression d'extrados, et les flèches courbes de chaque côté le fluide qui contourne l'extrémité.

Plus la pale est courte, plus cette zone perturbée pèse dans la surface totale : la perte de rendement de l'hélice, ou de l'aile, est d'autant plus forte que la pale est courte. Nous détaillons le mécanisme sur la page des pertes en bout d'aile et de pale, et le lien avec l'allongement sur celle de l'allongement.

2 : Réduire les pertes en bout de pale sans carénage : pale elliptique et winglets

Une première parade consiste à donner à la pale, ou à l'aile, une forme elliptique et une longueur qui concentrent la portance le plus loin possible du bout. Le fluide trouve alors moins de différence de pression à égaliser à l'extrémité.

Le Spitfire et ses ailes elliptiques, qui concentrent la portance le plus loin possible du bout d'aile pour limiter les fuites.

Une seconde parade, cumulable avec la première, place une barrière qui bloque le passage du fluide en bout de pale : ce sont les winglets des ailes.

Les extrémités d'aile relevées de cet avion solaire jouent le rôle de barrière contre le contournement.

On peut aussi équiper une hélice de winglets, ce qui se pratique sur certains hélicoptères. Heliciel permet d'étudier ce cas : la page sur le winglet en bout de pale ou d'aile décrit les réglages et leurs hypothèses. Le winglet ne supprime jamais complètement le contournement, alors que le carénage, lui, le bloque sur toute la circonférence.

3 : Simuler une hélice carénée dans Heliciel : l'option et ses limites

Une autre solution pour réduire les pertes en bout de pale consiste à caréner l'hélice. Heliciel peut simuler un carénage : si vous cochez l'option d'hélice carénée, les pertes de bout de pale sont considérées comme nulles dans le calcul. L'option se trouve dans le bloc carénage et conduit du bandeau de données, que la page sur le choix entre flux libre, hélice carénée et conduite forcée décrit en détail.

Graphique de distribution des cordes et des épaisseurs des éléments de pale, avec la case « Carénage (ignorer pertes bout pale) » cochée : les cinq éléments sont alors calculés sans perte de bout.

Ce réglage n'est pas complètement réaliste, et nous préférons vous le dire. Le bout de pale frotte contre le fluide qui stagne dans la couche limite du carénage, ce qui ajoute un couple résistant et réduit le rendement. Dans la pratique, on garde un jeu supérieur à l'épaisseur de cette couche limite, et des fuites peuvent donc subsister. Heliciel donne ainsi des rendements légèrement surévalués.

L'option reste utile pour évaluer le bénéfice d'un carénage autour de l'hélice : nous comparons le calcul avec et sans carénage, puis nous mettons ce gain en regard du coût et de la traînée du carénage lui-même, que le calcul de l'hélice seule ne voit pas. Une fois la forme retenue, le carénage s'exporte avec l'hélice en STL, IGS ou OBJ : voir les exports 3D d'hélice.

4 : Carénage d'éolienne et limite de Betz

Certains concepteurs d'éoliennes utilisent un carénage pour augmenter le rendement, et certains prétendent même dépasser la limite de Betz avec ce système. Un point est incontestable : le carénage minimise les pertes en bout de pale en créant une barrière contre le contournement, comme le font les winglets.

Trois éoliennes carénées : la tuyère entoure l'hélice et fixe la section de passage du vent.

En revanche, la limite de Betz se discute mal avec le diamètre de l'hélice pour seule référence. Le coefficient de puissance de l'hélice (Cp) s'écrit :

Cp = P_arbre / (0,5 × ρ × V³ × S_disque)

avec P_arbre la puissance à l'arbre de l'hélice (W), ρ la masse volumique du fluide (kg/m³), V la vitesse du fluide non perturbé (m/s) et S_disque la surface réellement captée (m²). La limite de Betz, 16/27 soit environ 0,593, se rapporte à cette surface captée. Si l'on prend la surface balayée par l'hélice, placée au fond du cône d'entrée que forme le carénage, on divise par une surface plus petite que celle qui capte le vent, et le résultat est faussé.

Si l'on vous annonce un rendement d'éolienne supérieur à 0,59, vérifiez donc que la surface du disque correspond à la surface réellement captée. Un autre artifice consiste à aspirer le bouchon de fluide qui se forme derrière l'hélice, grâce à des anneaux profilés qui utilisent de l'énergie extérieure à la veine pour créer une dépression à l'arrière. La surface réellement captée change là aussi.

Les meilleures hélices de captage atteignent de l'ordre de 70 à 80 % de la limite de Betz. Les systèmes carénés ont leur avantage, puisqu'ils réduisent les pertes en bout de pale et augmentent le rendement de l'hélice, mais jamais au-dessus de la limite de Betz. Il faut comparer ce gain au coût de fabrication supplémentaire : avec la matière ajoutée, on pourrait souvent augmenter le diamètre de l'hélice, donc la puissance de l'ensemble. La théorie de Froude et la limite de Betz en donnent la démonstration.

5 : Carénage d'hélice de propulsion : bateau et remorqueur

Quand l'environnement limite le diamètre de l'hélice, et que le milieu ne permet pas d'allonger les pales pour réduire les pertes de bout, certains constructeurs de bateaux carènent leurs hélices. Lorsqu'une hélice doit fournir une forte poussée avec un petit diamètre, les pertes en bout de pale deviennent très importantes. C'est le cas des remorqueurs.

Hélices carénées de remorqueurs, vues de l'arrière des coques.

Dans ce cas, le carénage peut apporter un gain de rendement important. On rencontre le chiffre « jusqu'à 50 % », que nous n'avons pas vérifié ici : le gain dépend de la charge de l'hélice, et le calcul avec et sans l'option de carénage vous le donne pour votre hélice. Comme les pertes de bout ne sont plus à craindre, la corde en bout de pale peut être grande, car la pale garde son efficacité jusqu'au bout.

Le carénage a un prix : il engendre une traînée proportionnelle au carré de la vitesse du navire. Au-dessus d'une certaine vitesse d'évolution, cette traînée détruit le gain obtenu sur les pertes de bout de pale. Le carénage d'hélice convient donc aux véhicules lents. Pour dimensionner une telle hélice, nous partons de la page hélices de propulsion, puis nous suivons le rendement propulsif pendant la construction.

6 : Carénage de ventilateur et de pompe axiale

Cette solution est pratiquée d'office pour les hélices de ventilateurs, puisque l'hélice est déjà intégrée dans un conduit. Les pertes de bout de pale n'étant plus à craindre, la corde en bout de pale peut être grande. Nous le voyons par exemple sur cette ventilation industrielle, qui doit générer un fort débit :

Ventilateur industriel de forte capacité : l'hélice tourne à l'intérieur d'une virole cylindrique.

Pour les hélices qui doivent créer une variation de pression, comme les ventilateurs, les pompes axiales ou les hélices de jet-ski, les pertes de bout de pale ne sont plus seulement un problème de rendement. Les fuites par contournement peuvent empêcher la montée en pression et manquer l'objectif du ventilateur ou de la pompe. Le carénage doit donc passer très près des pales.

Le rayon au pied de pale doit lui aussi être paramétré pour éviter les fuites. À faible vitesse, près du centre, la différence de pression que créent les éléments proches du moyeu laisse passer des fuites. Pour l'éviter, le rayon au pied de pale sera, en règle générale, supérieur à 50 % du rayon en bout de pale :

Ventilateur d'aération caréné : le moyeu occupe une grande part du rayon.

Pour aller plus loin, nous pouvons comparer le calcul de l'hélice carénée par la méthode des éléments de pale (BEM, Blade Element Momentum) à une simulation complète de l'écoulement dans le conduit : voir le ventilateur en conduit calculé par CFD avec l'extension PRO. Nous pouvons aussi reprendre le choix du diamètre et de la longueur de pale, premier levier contre les pertes de bout.