Série B de Wageningen : sélectionner et appliquer une hélice marine de référence

Concevoir une hélice de bateau à partir d'une page blanche est possible dans Heliciel ; commencer par une hélice de référence l'est aussi, et c'est souvent plus rapide. La série B de Wageningen est la famille d'hélices marines la mieux documentée : des dizaines de géométries essayées en bassin, dont on connaît le comportement complet en eau libre. Heliciel l'embarque, la balaie pour vous, et applique au projet celle qui répond à votre cahier des charges.

Ce que vous faites dans ce didacticiel : partir d'un diamètre, d'une poussée et d'une vitesse d'avance, obtenir l'hélice de la série qui donne le meilleur rendement, puis la transformer en projet Heliciel modifiable.

• Prérequis : un projet d'hélice marine ouvert (modèle « Hélice propulsive eau » du menu Fichier, ou votre propre projet) ;
• Durée : quelques minutes, le balayage est immédiat ;
• Ce que vous en tirez : un nombre de pales, un rapport de surface, un P/D, un régime — et une géométrie appliquée au projet.

• Déroulé du didacticiel :

1. Ce que la série B apporte, et où elle s'arrête
2. Ouvrir la fenêtre B-Screw Series
3. Décrire le besoin plutôt que la géométrie
4. Lire le classement par rendement
5. Vérifier sur les courbes K_T et K_Q
6. Appliquer au projet, à deux niveaux
7. Et après : repartir en conception

1 : Ce que la série B apporte, et où elle s'arrête

Une hélice de la série B se nomme par trois nombres : son nombre de pales, son rapport de surface développée Ae/A0, et son rapport pas sur diamètre P/D. Heliciel couvre la série de 3 à 7 pales, tous les rapports de surface, et des P/D de 0,60 à 1,40. La référence géométrique utilisée est celle publiée par Carlton.

Ces hélices ont été essayées en bassin : leurs coefficients de poussée et de couple ne sont pas calculés, ils sont mesurés. C'est ce qui en fait un étalon. Mais l'étalon a un domaine : profils segmentaires et aérodynamiques de forme classique, fonctionnement hors cavitation, essais conduits à un nombre de Reynolds de référence de 2 × 10⁶. Une hélice très chargée, très rapide, ou destinée à un fluide qui n'est pas de l'eau de mer sort de ce domaine : la série reste une comparaison utile, elle cesse d'être une prédiction.

2 : Ouvrir la fenêtre B-Screw Series

Menu Fichier, entrée « B-Screw Series : hélices marine références classiques ». La fenêtre s'ouvre sur trois onglets : Meilleure hélice, Performances de la série et Comprendre ces chiffres.

L'entrée de menu qui ouvre la série

3 : Décrire le besoin plutôt que la géométrie

Dans l'onglet Meilleure hélice, vous ne décrivez pas une hélice : vous décrivez ce que vous attendez d'elle.

• Diamètre hélice : en pratique la plus grande valeur que le dégagement de la coque autorise. C'est une contrainte d'installation avant d'être un choix hydrodynamique ;
• Poussée recherchée : la résistance à l'avancement de la carène au point visé. Si vous ne la connaissez pas encore, elle se calcule dans l'étude de vagues et de traînée de navire ;
• Vitesse d'avance : la vitesse du bateau au point de fonctionnement, pas la vitesse maximale du moteur.

Trois données de cahier des charges suffisent à lancer le balayage

4 : Lire le classement par rendement

Heliciel parcourt alors la série entière et classe les hélices par rendement en eau libre au point demandé. Chaque ligne du classement porte le nombre de pales, le rapport de surface, le P/D, le régime et le coefficient d'avance J correspondants.

Deux réflexes de lecture : la première ligne n'est pas forcément la bonne — un rapport de surface plus élevé coûte un peu de rendement mais éloigne la cavitation ; et le régime annoncé doit être un régime que votre moteur et votre réducteur savent tenir. Le classement vous donne les candidats, l'arbitrage vous appartient.

Le classement : nombre de pales, rapport de surface, P/D, régime et J

5 : Vérifier sur les courbes K_T et K_Q

L'onglet Performances de la série trace les coefficients de poussée K_T et de couple K_Q en fonction de J, et situe le point de fonctionnement optimal retenu par la recherche. C'est la lecture classique d'une hélice marine : elle vous dit comment la poussée s'effondre quand le bateau accélère à régime constant, et où se trouve le maximum de rendement.

K_T et K_Q en fonction de J pour l'hélice retenue

Le point optimal, lu sur la série et non estimé

L'onglet Comprendre ces chiffres reprend ces définitions pour ceux qui les croisent pour la première fois. La même lecture s'applique ensuite à votre hélice : Kt, Kq et J dans l'analyse multiple.

Validation. Le calcul BEM d'Heliciel posé sur les courbes publiées de quatre hélices de la série, B4-70 aux pas 0,60, 1,00 et 1,40 et B3-50 au pas unitaire, sur tout le balayage en J : validation d'Heliciel contre des données publiées.

6 : Appliquer au projet, à deux niveaux

Une hélice de référence n'a d'intérêt que si elle devient un projet modifiable. Heliciel propose deux niveaux d'application, et ils ne servent pas à la même chose :

• Distribution de cordes et profils seuls : vous récupérez la forme en plan de la série — la largeur de pale station par station et les profils — et vous laissez Heliciel calculer les calages par la théorie de l'élément de pale, pour votre point de fonctionnement ;
• Géométrie complète : vous récupérez en plus les calages imposés par le P/D de la série. Le projet passe alors en mode rétro-conception : la géométrie est imposée, Heliciel en calcule les performances au lieu de la déduire.

Le premier niveau sert à concevoir en s'inspirant de la série. Le second sert à reproduire une hélice de série, ou à la comparer honnêtement à votre conception.

Les deux niveaux d'application au projet en cours

La géométrie de série devenue projet Heliciel : modifiable, exportable

7 : Et après : repartir en conception

La série vous a donné un point de départ crédible en quelques minutes. La suite du travail, elle, sort du domaine de la série : régime réel, fluide réel, profils choisis dans votre base, contrôle de cavitation, résistance de la pale. C'est là que le calcul par éléments de pale d'Heliciel reprend la main.

• L'analyse génétique pour chercher ensemble régime, nombre de pales et distribution de cordes ;
• Le contrôle de cavitation, qui est précisément la limite du domaine de la série ;
• Les exports 3D pour sortir la pièce.

Pour comprendre d'abord ce que sont le pas et le glissement, la page Calcul du pas d'hélice propose le même balayage de la série B en ligne, sans installer le logiciel.