Le choix d'une hélice pour un voilier ou une petite unité motorisée est une étape décisive pour la performance, la consommation et la durabilité du groupe motopropulseur. On y pense peu et pourtant, c'est autour de l'hélice que l'eau se trouve propulsée du bord d'attaque vers le bord de fuite, créant ainsi un effet de vis sans fin. Les molécules d'eau comprimées alors sur elles-mêmes retranscrivent cette force par l'avancement du bateau. Comme le pneu en automobile, l’hélice convertit le couple et la puissance du moteur en mouvement. Pour un moteur d'environ 17 CV, le choix du matériau - inox, cupro-manganèse, cupro-alu ou tout simplement alu - est aussi important que la forme des pales en fonction de vos paramètres de navigation.
Fondamentaux techniques : comprendre le fonctionnement de l'hélice
Avant tout, quelques mots techniques sont indispensables à maîtriser pour se représenter ce qu'est une hélice.
Le diamètre représente la distance prise entre les extrémités tangentielles de deux pales opposées circonscrites dans un cercle. Il informe sur la façon dont le moteur du bateau est utilisé : à pas constant, plus le diamètre est grand, plus le moteur est sollicité pour mettre l’hélice en mouvement. Comme le diamètre est limité par la plaque anti-ventilation ou le dégagement disponible sous la coque, il est possible d’augmenter le nombre de pales pour conserver la même surface de poussée qu’avec une hélice de plus gros diamètre.
Le pas, quant à lui, est la distance théorique parcourue par l’hélice en un tour complet. Si une hélice évoluait dans un milieu solide comme une vis s’enfonçant dans le bois, un modèle de 21 pouces avancerait de 21 pouces à chaque rotation. Dans l'eau, cette mesure est essentielle car elle renseigne sur les tours/minute du moteur. Le pas de l’hélice est l’élément le plus important pour atteindre la plage de régime maximum recommandée par un constructeur. Il est admis que, lorsqu’on monte d’un pas, le moteur tourne environ 300 tr/mn moins vite au régime maximal, et inversement. Un pas court favorise l’accélération et le couple à bas régime, tandis qu’un pas long privilégie la vitesse de pointe.
Les phénomènes de dégradation : cavitation et ventilation
La maîtrise de l'hydrodynamique permet d'éviter des dommages structurels sur les pales.
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La ventilation survient lorsque les pales de l'hélice aspirent de l'air. Cela arrive fréquemment lorsque le moteur est réglé trop haut sur le tableau arrière pour un hors-bord, ou si la distance entre la surface de l'eau et l'extrémité des pales est trop faible. Le mélange air/eau n'offre plus suffisamment de résistance : l'air se comprime, l'eau non, ce qui provoque l'emballement du moteur.
La cavitation est un phénomène différent, souvent confondu avec la ventilation. Lorsque les pales sont soumises à des efforts trop importants par rapport à leur surface, une dépression se crée côté intrados. Celle-ci est si forte que la pression côté extrados ne suffit plus à équilibrer la relation dynamique. L'eau prise dans cette dépression se vaporise sous l'effort. Des microbulles de vapeur s'amoncellent jusqu'au décrochage complet des pales. Ces microbulles éclatent et creusent la matière des pales sous forme d'impacts (érosion de cavitation). Cela arrive lorsque les flux d'eau ne sont plus laminaires, mais turbulents, avec une quantité de gaz importante mélangée.
Paramètres de forme : Rake, Cup et Skew
Le Rake est l’angle d’inclinaison de la pale à sa génératrice par rapport à une droite perpendiculaire au moyeu. Il agit sur le retardement de la cavitation : plus l'angle est fort, plus la prise d'eau est progressive. Cependant, un rake trop important a tendance à soulever la proue du bateau, pouvant déstabiliser la coque.
Le Cup est une petite déformation voulue en forme de becquet sur le contour du bord de fuite de la pale. Il a pour but d’augmenter le pas à partir d’une certaine vitesse de rotation. Il est particulièrement intéressant sur les bateaux lourds, car il permet de garder un pas faible au démarrage pour faciliter le déjaugeage, tout en optimisant le rendement à haute vitesse.
Le Skew, inventé par la société Radice, est une forme spécifique donnée aux pales pour réduire la vague arrière et les vibrations transmises. C'est une hélice plus souple qui permet un meilleur rendement, un abaissement du bruit de fonctionnement et un retardement du phénomène de cavitation.
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Analyse du glissement et de la force transmise
Le glissement est la différence de distance axiale parcourue entre le pas théorique et le pas réel lors d'une révolution. Cette différence est due au temps qu'il faut aux molécules d'eau pour « s'accrocher » à la pale ; ce phénomène diminue avec la vitesse du bateau. Un glissement supérieur à 20 % indique souvent que votre choix d'hélice n'est pas optimal, soit parce que le pas est inadapté, soit parce que le nombre de pales est insuffisant.
La force transmise est la résultante vectorielle du couple et de la poussée, moins les pertes de friction et de rotation. En règle générale, pour 100 CV transmis, on considère que les pertes s'élèvent à environ 50 %. La qualité du profilage des appendices (chaise d'arbre, quille) est indispensable pour limiter le masquage, qui déséquilibre la propulsion et engendre des efforts de distorsion sur l'arbre.
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