Les hélices marines sont, en quelque sorte, l’équivalent des pneus d’une voiture. Elles transforment la puissance du moteur en force motrice pour le bateau et constituent également le dispositif de propulsion le plus utilisé à bord.
L’histoire des hélices
En 1776, le génial Britannique James Watt inventa la machine à vapeur. Celle-ci contribua non seulement au premier grand essor industriel de l’histoire de l’humanité, mais inaugura aussi l’utilisation de la puissance mécanique comme force motrice marine. Elle posa également les bases techniques qui permirent à la Grande-Bretagne de devenir une puissance maritime dominante. Comme l’hélice n’existait pas encore à l’époque, des ingénieurs, limités par leur imagination, inventèrent la roue à aubes en s’inspirant de son principe. Il s’agissait d’un bateau muni de roues à aubes de chaque côté. Une partie de la roue étant immergée, on appelait ce type de bateau un bateau à roues à aubes. Ces bateaux présentaient toutefois de nombreux inconvénients, notamment une manœuvrabilité extrêmement médiocre et une faible efficacité de transmission, en particulier lors des manœuvres d’accostage.
En 1836, le navire britannique « Archimedes » utilisa une hélice à vis, c’est-à-dire une longue pièce de bois façonnée comme une vis. Lors des premiers essais, le bateau avançait à une vitesse de 4 nœuds. Plus tard, après que le bateau eut heurté un obstacle dans l’eau, la vis se brisa. Il en resta un petit morceau, mais la vitesse du bateau passa à 13 nœuds. Ce petit accident donna aux ingénieurs l’idée de raccourcir la longue vis, puis de transformer la vis courte en pales. L’hélice fut ainsi inventée progressivement, au fil des expérimentations. Bien sûr, plusieurs difficultés se posaient, notamment l’étanchéité de l’arbre de l’hélice immergée et les vibrations sous-marines. Grâce aux progrès constants de la technologie, les grands avantages de l’hélice lui ont permis de s’imposer dans les chantiers navals du monde entier.
Les principaux paramètres d’une hélice
1. Pas P :
Il s’agit de la distance parcourue par l’hélice dans le sens axial en un tour. Cela équivaut à la distance parcourue dans le bois par une vis en un tour. Il s’agit toutefois d’une valeur théorique : en pratique, les pales de l’hélice glissent dans l’eau, ce qui réduit son rendement. La question du glissement est également liée à ce phénomène.
Plus le pas de la pale est grand, plus l’angle de pas de celle-ci par rapport au plan de l’hélice est important. Cependant, à une vitesse donnée, il existe un angle de pas optimal. Les pales d’une hélice à pas fixe ne peuvent pas pivoter. Elle offre donc son meilleur rendement à la vitesse pour laquelle elle a été conçue. Les hélices à pas variable sont différentes : leurs pales peuvent pivoter, ce qui permet de régler le pas. Ainsi, sur les navires nécessitant des vitesses variables, l’utilisation d’hélices à pas variable peut grandement améliorer le rendement et réduire la consommation de carburant.
2. Diamètre de l’hélice D :
Il s’agit du diamètre du cercle extérieur balayé par les pales. Lors de la conception d’une hélice, on cherche toujours à utiliser le plus grand diamètre possible pour améliorer sa poussée. Toutefois, sur les yachts, le tirant d’eau et l’emplacement de montage imposent des limites : une hélice trop grande ne peut pas être protégée par la coque et risque facilement de heurter un obstacle. Il faut donc choisir un diamètre adapté.
3. Rapport de surface développée EAR :
Tout d’abord, il faut savoir que la surface du disque correspond à celle du cercle défini par le diamètre de l’hélice, soit S=π(D/2)². Si la somme des surfaces occupées par toutes les pales de l’hélice dans ce plan est S2, alors EAR=S2/S. Plus le rapport de surface développée est élevé, plus les pales sont larges et plus la charge par unité de surface est faible, ce qui contribue à prévenir la cavitation. Toutefois, augmenter ce rapport réduit le rendement de l’hélice. Pour améliorer le rendement tout en évitant la cavitation, il convient donc de maintenir le rapport de surface développée aussi faible que possible. La plupart des hélices ont un rapport inférieur à 1, mais certaines hélices destinées aux bateaux rapides ont un rapport supérieur à 1.
Types d’hélices couramment utilisées sur les yachts
Hélice à pas fixe :
Une hélice à pas fixe. Grâce à sa conception simple, c’est le type le plus courant sur les yachts de petite et moyenne taille. Elle comporte trois ou quatre pales. Avantages : structure simple, durable et facile à entretenir. Inconvénients : le pas n’étant pas variable, le rendement est optimal uniquement à une vitesse donnée. Les pales des hélices sont donc généralement de grand diamètre et tournent à faible vitesse afin d’améliorer le rendement. Les hélices repliables utilisées sur les voiliers sont également des hélices à pas fixe.
Hélice à pas variable :
Une hélice dont le pas est réglable. Elle peut s’adapter à la vitesse et maintenir un rendement de transmission élevé, tout en permettant de réaliser des économies de carburant maximales. Ses inconvénients sont toutefois évidents : sa structure est complexe, son coût élevé et son entretien peu pratique. Elle est généralement utilisée sur les grands yachts.
Hélices contrarotatives :
Deux hélices tournant en sens opposés sont montées sur le même arbre. C’est notamment le cas des systèmes à hélices contrarotatives de VOLVO et ZF. L’hélice arrière récupère le flux d’eau rotatif généré par l’hélice avant et une partie de son énergie de rotation, ce qui améliore encore le rendement de propulsion. Inconvénients : la structure est complexe et, en raison des limites imposées par les matériaux à la poussée, ce système est moins utilisé sur les grands navires.
Il existe bien sûr d’autres types d’hélices, mais ils sont relativement peu courants.
