NAVIRES Hydrodynamique navale

Définition et principe de fonctionnement de l'hélice propulsive

L'hélice, qui fit son apparition sur les navires au milieu du xix^e siècle, constitue le moyen de propulsion le plus couramment utilisé.

Une hélice est essentiellement constituée par un certain nombre de pales (entre trois et six pour les navires classiques) qui ont en gros la forme d'ailes portantes hélicoïdales (pas géométrique H), et qui sont montées sur un moyeu généralement cylindrique. Les pales sont en général fixes par rapport au moyeu mais certaines hélices, qui doivent travailler dans des conditions de charge très variables (chalutiers par exemple), ont des pales orientables autour d'un axe normal au moyeu.

Quand l'hélice a une vitesse d'avance V₀ parallèle à son axe et une vitesse de rotation ω = 2 π n (n étant le nombre de tours par unité de temps), ses sections cylindriques se comportent comme des profils d'ailes portantes ; il en résulte un effort hydrodynamique qui se réduit au total à une poussée T parallèle à l'axe et à un couple Q autour de cet axe, soit un coefficient de poussée K_T = T/ρn²D⁴ (D est le diamètre), un coefficient de couple K_Q = Q/ρnD⁵ et un rendement η = V₀T/2 πnQ. Les valeurs de K_T, K_Q et η sont essentiellement fonction du « degré de progression » J₀ = V₀/nD, mais dépendent en revanche relativement peu de la viscosité de l'écoulement.

Les courbes caractéristiques de fonctionnement de l'hélice dépendent fortement du pas géométrique réduit H/D : l'augmentation de H/D décale vers la droite les courbes (J₀ ; K_T) et (J₀ ; K_Q) ; la valeur de J₀ pour laquelle K_T = 0 est très voisine de H/D, d'où son nom de « pas effectif ». L'augmentation de H/D entraîne également un accroissement du rendement maximal de l'hélice.

Pour étudier théoriquement le fonctionnement de l'hélice, comme d'ailleurs celui des surfaces portantes en général, on remplace celle-ci par une distribution de tourbillons (ou une distribution mixte de tourbillons et de sources, les sources étant destinées à représenter l'effet d'épaisseur des pales) ; quand l'envergure relative des pales est petite, les tourbillons qui constituent l'hélice, encore appelés tourbillons « liés », se réduisent à une simple ligne tourbillonnaire ; le modèle théorique est alors analogue au modèle de Prandtl pour les ailes portantes de grande envergure. La circulation autour des sections cylindriques de chaque pale étant variable avec leur distance r à l'axe, il s'échappe nécessairement du bord de fuite de chaque pale une nappe de tourbillons, appelés tourbillons « libres », qui, dans le modèle le plus simple, est un hélicoïde droit de pas V/n.

Le calcul de la circulation puis celui des efforts hydrodynamiques sont effectués en fluide parfait. L'effet de la viscosité, qui est essentiellement pour chaque élément de pale une force de traînée, est évalué séparément ; il se traduit au total par une diminution de la poussée et une augmentation du couple, donc une diminution du rendement.

La théorie de l'hélice, même si elle procède par approximations successives en partant d'hypothèses simples, conduit à des résultats qui sont très proches de l'expérience.

Interactions hélice-carène

À cause de la présence de la carène, l'hélice ne travaille jamais dans un champ de vitesse relative uniforme : il existe un certain « sillage ». Par exemple, la vitesse d'arrivée d'eau dans l'hélice peut être réduite à 20 p. 100 seulement de la vitesse de route V, si l'on se place dans le plan longitudinal juste sur l'arrière de l'étambot d'un gros navire à ligne d'arbres unique (le coefficient de sillage local, différence relative entre V et la vitesse locale, est alors de 0,8).

Les courbes caractéristiques de fonctionnement de l'hélice derrière la carène (J ; K_T), (J ; K_Q), avec J = V/n D, se déduisent des courbes de fonctionnement de l'hélice isolée par une affinité telle que J₀ = J (1 — w) . w, sillage effectif de la carène, est en quelque sorte la moyenne, effectuée par l'hélice, du sillage local sur tout son disque. w varie de zéro pour les vedettes rapides à deux lignes d'arbres à 0,4 pour les gros pétroliers à une ligne d'arbres.

De même qu'il existe une action de la carène sur l'hélice, il existe réciproquement une action de l'hélice sur la carène qui est une force de succion S (l'hélice aspire l'eau devant elle). La poussée effective T_e de l'hélice n'est pas alors égale à T, mais à T_e = T — S = T (1 — t), où t représente le coefficient de succion, qui varie de 0,05 pour les vedettes rapides à 0,3 pour les gros pétroliers à une ligne d'arbres.

On obtient le point de fonctionnement en autopropulsion en écrivant que la poussée effective T_e de l'hélice est égale à la résistance à la marche R.

Le « rendement propulsif global » η_g est défini comme le rapport P_r/P entre la puissance P_r =V R nécessaire pour remorquer la carène à la vitesse V et la puissance P = 2πnQ appliquée effectivement sur l'axe de l'hélice. η_g peut être mis sous la forme η_g = η₀η_I, où η₀ est le rendement propre de l'hélice isolée et η_I un rendement d'interaction fonction du sillage et de la succion. η_I varie de 0,9 pour les vedettes rapides à 1,4 pour les gros pétroliers à une ligne d'arbres. η_g dépend évidemment du rendement propre de l'hélice en place ; il reste en gros compris entre 0,6 et 0,75.

Risques de cavitation

Quand, au sein d'un liquide, la pression descend au-dessous d'une certaine valeur qui, en première approximation suffisante pour les applications pratiques, est égale à la tension de vapeur e, le liquide se vaporise. La cavité ainsi produite grossit très rapidement en prenant des formes variables selon les conditions locales de l'écoulement ; quand cette cavité, ou une partie de cette cavité, est entraînée par le courant dans une zone où la pression est plus grande, elle se résorbe brutalement – d'où le nom de collapsus donné à ce phénomène – provoquant un bruit intense et, le cas échéant, une érosion des corps solides qui se trouvent placés dans la zone de collapsus. C'est dire que, indépendamment même de la chute des performances qu'elle peut entraîner, la cavitation est, sauf exception, un phénomène nuisible qu'on cherche à éviter dans toute la mesure du possible.

En écrivant que la cavitation se produit pour p = e, on fait apparaître un paramètre sans dimensions nouveau σ = (p₀ — e)/(1/2) ρV² où p₀ est la pression statique. Comme la vitesse du modèle V_m est généralement inférieure à la vitesse V_s du réel, la réalisation de la condition σ_m = σ_s entraîne p_0m < p_0s, c'est-à-dire que les essais de cavitation nécessitent d'opérer dans des installations placées sous vide.

Sur un navire on peut rencontrer de la cavitation en de nombreux endroits : sur l'étrave, sur les prises ou sorties d'eau, sur le gouvernail, sur les quilles de roulis ou sur les ailerons stabilisateurs et sur les chaises supports d'arbres, mais c'est surtout la cavitation de l'hélice qui conduit en général aux ennuis les plus sérieux.

La possibilité pour une hélice de caviter se comprend aisément si l'on se souvient que son rôle est de fournir une certaine poussée par différence de pression entre sa face arrière, ou « face », mise en surpression et sa face avant, ou « dos », mise en dépression. Pour une hélice bien dessinée et travaillant à son point de fonctionnement nominal dans un milieu indéfini, la cavitation qu'on peut normalement rencontrer est une cavitation par bulles isolées ou par nuage sur le milieu du dos. Si le degré de progression est inférieur à J₀ nominal, une cavitation par lame sur le bord d'entrée côté dos (prolongée le plus souvent par un tourbillon d'extrémité) peut se produire prématurément ; un tourbillon d'ogive apparaît également. Pour J₀ > J₀ nominal, c'est au contraire une cavitation par lame sur le bord d'entrée côté face qui est à redouter. On peut diminuer le risque de cavitation en augmentant la surface de l'hélice mais c'est naturellement au prix d'une perte de rendement.

Les choses se compliquent quand l'hélice travaille derrière une carène. À cause des variations d'incidence, les figures de cavitation sur une pale donnée se modifient au cours de sa rotation. Au total, les risques sont augmentés.

Comme toute cavitation, la cavitation de l'hélice est génératrice de bruits et d'érosions. Les premiers sont particulièrement dangereux dans le cas des bâtiments de guerre dont la discrétion acoustique est actuellement l'une des qualités maîtresses ; quant aux érosions, elles affectent toutes les hélices mais, il faut le noter, il s'agit d'un effet cumulatif qui n'est réellement gênant que si l'hélice travaille en permanence en régime de cavitation (fig. 5). Quand la cavitation est développée il se produit également une chute des caractéristiques mécaniques, poussée, couple et rendement, due au fait que la pression sur le dos ne peut descendre au-dessous de e ; cette chute des performances s'accompagne d'une augmentation du nombre de tours qui peut être gênante pour le moteur.

Il arrive un moment où, la vitesse augmentant, on ne peut plus éviter la cavitation ; il est alors préférable d'en prendre son parti en essayant de limiter au minimum ses inconvénients. C'est ce qu'on cherche à faire avec les hélices « supercavitantes » qui ont un bord d'attaque aigu de manière à déclencher une cavitation qui recouvre le dos et se prolonge même en arrière de la pale. Les hélices supercavitantes ne suppriment pas les bruits mais elles évitent les érosions (puisqu'il n'y a pas de collapsus sur les pales) ; de plus, elles ont des performances meilleures que les hélices normales en régime de cavitation. Sur certaines hélices de ce type, on souffle de l'air sur le dos pour maintenir le régime de fonctionnement avec cavité même à faible vitesse ; ces hélices « ventilées » ont l'avantage d'être moins bruyantes, l'air contenu dans la cavité se comportant comme un matelas qui atténue les collapsus. Les hélices supercavitantes ou ventilées sont toutefois d’un usage peu courant.

Risques de vibrations

Le fonctionnement de l'hélice peut être à l'origine de vibrations de la coque selon deux mécanismes distincts, qui sont soit des vibrations par fluctuations de pression sur la coque (ou sur le gouvernail), soit des vibrations transmises par la ligne d'arbres.

D'une part, le passage des pales de l'hélice à proximité de la coque engendre sur celle-ci une dépression à la fréquence nZ (n est le nombre de tours, Z le nombre de pales) qui peut provoquer directement une vibration de la structure du navire. D'autre part, à cause des variations du sillage sur l'arrière de la carène, l'hélice est soumise à des efforts fluctuants (six composantes) qui se transmettent à la ligne d'arbres puis, par son intermédiaire, à la coque.

Les risques de vibration peuvent être très gênants pour les gros navires de charge à une seule ligne d'arbres. Pour les éviter, plusieurs mesures peuvent être prises. L'augmentation du nombre de pales de l'hélice et le déversement de celles-ci vers l'arrière constituent le seul remède généralement possible pour un navire en service. Au stade du projet, on doit de plus respecter des jeux suffisants, d'une part entre l'hélice et le gouvernail, d'autre part entre l'hélice et la coque et atténuer le plus possible les irrégularités de sillage par un dessin judicieux des formes arrière.

Propulseurs autres que l'hélice classique

La voile, seul moyen de propulsion possible avec la rame jusqu'à la fin du xviii^e siècle, utilise l'énergie du vent. C'est, en gros, une aile portante souple qui est soumise à une force normale à la vitesse incidente du vent (vitesse relative), force qui propulse le navire dans une direction faisant un certain angle (appelé dérive) avec son axe (cf. voiliers). La voile n'est guère utilisée aujourd'hui que pour la navigation de plaisance.

L'apparition de la machine à vapeur a d'abord conduit à l'invention de la roue à aubes pour propulser les navires ; mais, trop sensible aux variations d'immersion, celle-ci sera – sauf pour la navigation sur des lacs ou des rivières – supplantée par l'hélice avant d'avoir fait l'objet d'essais systématiques et d'études théoriques sérieuses.

D'autres propulseurs, dont quelques exemples sont donnés ci-dessous, équipent aujourd'hui certains navires. Ils sont intéressants car ils répondent à des besoins particuliers mais, quand elle peut être utilisée, l'hélice classique conserve généralement l'avantage d'un meilleur rendement. Il faut en effet se rappeler qu'un propulseur est un système qui prend de l'eau sur son avant et la rejette sur son arrière avec une vitesse accrue, d'où une énergie cinétique perdue en aval. Pour diminuer cette perte d'énergie, il vaut mieux, d'une façon générale, installer un propulseur qui imprime une variation de vitesse faible à une grande masse d'eau que l'inverse, donc un propulseur de grand diamètre, ce qui est le cas de l'hélice classique.

L'installation d'une tuyère autour de l'hélice peut avoir un intérêt dans certains cas. Si cette tuyère est convergente-divergente (tuyère Kort), on montre qu'elle est elle-même le siège d'une poussée positive (la poussée sur l'hélice étant toutefois un peu diminuée), ce qui est particulièrement intéressant si le navire doit fournir une poussée assez importante à vitesse faible (remorqueurs ou chalutiers en chalutage par exemple). Cette tuyère peut être rendue orientable autour d'un axe vertical, et faire alors fonction de gouvernail.

Le système propulsif des navires rapides, ou des navires naviguant en eau peu profonde, est souvent constitué d'un circuit hydraulique interne, avec prise d'eau sous la coque, accélération par une pompe, et rejet de l'eau horizontalement à l'extrême arrière. Il s'agit d'un hydrojet. Certains navires de plaisance dont la vitesse est très élevée sont équipés d'hélices de surface, c'est-à-dire d'hélices dont les pales sortent partiellement de l'eau quand elles sont en position haute.

On peut également citer le propulseur cycloïdal (propulseur Voith-Schneider) constitué de pales verticales, qui sont situées sous un plateau tournant, et dont l'orientation varie avec leur position par rapport au navire. La rotation du plateau s'effectuant à vitesse constante, on peut ajuster très simplement la loi d'orientation des pales pour obtenir une poussée variable en intensité et en direction, d'où l'intérêt d'un tel propulseur pour les navires devant manœuvrer en permanence (cas de l'ancrage dynamique par exemple).

À la fin du xx^e siècle est apparue la propulsion par pod. Ce système est constitué d'un moteur électrique placé dans une nacelle extérieure au navire (derrière la carène), entraînant une hélice localisée généralement sur l'avant de la nacelle. Rendu orientable, le pod peut jouer également le rôle d'un gouvernail. Il est jusqu'à présent surtout utilisé sur des paquebots.