De nouvelles hélices marines plus respectueuses de l’environnement

Comment mieux contrôler la consommation énergétique d’un navire sans nuire à ses performances ? En jouant sur son système de propulsion, et notamment sur les hélices. Dans notre laboratoire, nous travaillons à développer des outils numériques performants qui permettent d’optimiser un ensemble constitué d’une hélice et d’une tuyère, sorte d’anneau épais à l’intérieur duquel l’hélice est placée.

Tout d’abord, un peu d’histoire. L’intuition de l’hélice est celui de la vis sans fin déjà connue des Égyptiens de l’Antiquité qui l’utilisait pour l’irrigation des champs de la vallée du Nil, et dessinée par Léonard de Vinci. Au XIX^e siècle, l’Autrichien J. Russel en 1828, l’Écossais R. Wilson la même année, le Français F. Sauvage en 1832, l’Anglais J. Ericsson en 1836 et d’autres inventeurs en ont déposé le brevet. Les batailles juridiques qui ont accompagné ces développements attestent de l’importance de l’enjeu industriel.

Mais le fonctionnement d’une hélice n’est pas le même que celui de la vis sans fin. Les pales disposées autour du moyeu agissent de la même façon qu’une aile : l’une des deux faces de la pale est en dépression alors que l’autre est en surpression et c’est cette différence de pression qui est à l’origine de la force de poussée. Pour fournir la poussée, l’hélice est mise en rotation par un moteur à qui elle est reliée par la ligne d’arbre. Le rendement propulsif est le rapport entre la puissance de poussée de l’hélice et la puissance du couple fourni par le moteur.

Rendement de propulsion

La conception du système propulsif – et donc de l’hélice – consiste à obtenir le meilleur rendement possible pour les points de fonctionnement correspondant au navire. Pour un navire qui effectue de grandes traversées, ce point de fonctionnement est unique puisqu’il navigue pratiquement toujours à la même vitesse. Pour ces vaisseaux-là, le rendement propulsif varie entre 55 et 75 % en fonction de la qualité de la conception. C’est au niveau de l’hélice qu’on a le plus de pertes : dans les meilleures conditions possibles, son rendement ne peut guère excéder 80 %.

Mais beaucoup de navires n’ont pas un point de fonctionnement unique. Les bâtiments militaires par exemple, parce qu’ils doivent croiser, patrouiller, surveiller et intervenir de manière rapide. Les plus mal lotis dans ce domaine sont les navires de pêche et surtout les chalutiers. Ils doivent voyager vers et depuis les zones de pêche, mais aussi pêcher. La vitesse est alors lente, voire très lente, mais la puissance requise est très importante puisqu’il faut tirer le chalut derrière soi.

Pour l’hélice, c’est la pire situation : elle est alors extrêmement chargée, et l’écart de pression entre le dos et le ventre des pales est très important. Le rendement de l’hélice peut être alors catastrophique, jusqu’à moins de 20 %. 80 % de son action se résume à remuer de l’eau.

Un vrai gâchis ! Mais avec la raréfaction des combustibles fossiles, leur lourde empreinte environnementale, et l’augmentation du prix du gasoil, il fallait trouver une solution. Comment alors réfléchir à libérer la puissance de l’hélice ?

Hélice carénée

Nous savons qu’une hélice chargée gaspille beaucoup d’énergie à accélérer le fluide selon l’axe. On peut facilement estimer l’énergie cinétique ainsi dissipée. La seule manière de contrer partiellement cet effet – donc de décharger l’hélice – est de transférer une partie de la poussée vers un autre appendice. Cet autre appendice c’est la tuyère, anneau épais dont la forme de la section est profilée et à l’intérieur duquel l’hélice est placée. L’ensemble est appelé hélice carénée.

La première a été développée dans les années 1930. L’idée est que la tuyère participe à la poussée et réduit la charge de l’hélice. La tuyère soulage l’hélice et complète le travail de l’hélice. Dans ces conditions, l’hélice carénée pousse plus et a un meilleur rendement. Un institut de recherche maritime des Pays-Bas a produit, grâce à ses moyens d’essais, des séries de résultats pour des hélices en eau libre d’une part, carénées d’autre part. Dans le cas des hélices en eau libre, ce travail permet un premier dimensionnement avant d’optimiser la géométrie du propulseur. Pour les hélices carénées, la tendance est de fabriquer directement l’hélice correspondant aux résultats sans chercher à l’optimiser.

C’est un progrès comparé à l’hélice seule. Mais quand on sait qu’en moyenne un chalutier consomme une tonne de gasoil par tonne de poissons pêchés, il s’agit de chercher à améliorer ces performances. L’institut de recherche maritime des Pays-Bas s’apprête à diffuser les résultats expérimentaux de nouvelles hélices carénées. Une information qui devrait cependant rester confidentielle.

Les premiers modèles numériques de simulation des hélices carénées datent des années 1960. Mais les professionnels ne s’y sont pas vraiment intéressés jusqu’à la très forte hausse du pétrole brut de 2011 à 2014. La recherche d’efficacité semble suivre les fluctuations du marché pétrolier… Le problème est que la recherche a une beaucoup plus grande inertie que les marchés boursiers : les solutions n’arrivent pas assez vite et les projets sont abandonnés jusqu’à la prochaine crise.

La réglementation environnementale européenne est un élément nouveau qui permettra sans doute de maintenir les projets de recherche dans le domaine des économies d’énergie. De plus, la nouvelle génération de marins-pêcheurs semble plus concernée par la préservation de l’environnement et des ressources halieutiques.

Plutôt que de se contenter de ce qui se fait actuellement en matière d’hélice carénée, il faut, comme on le fait pour les hélices en eau libre, optimiser la forme de la tuyère et celle du rotor en fonction du navire concerné et de sa fonction. C’est un travail complexe mais réalisable : la résolution de l’écoulement en fluide réel autour du système hélice tuyère demande encore trop de puissance informatique pour en envisager l’optimisation qui réclame un grand nombre de simulations.

Il existe des outils numériques performants, basés sur un modèle simplifié de l’écoulement, qui permettent d’envisager l’optimisation de l’ensemble hélice et tuyère.

À la différence de la simulation en fluide réel, il existe une méthode dite des éléments frontière qui ne nécessite qu’un maillage de la surface de la tuyère et des pales du rotor. En couplant les calculs des écoulements sur chacun des objets et en les faisant interagir par vitesses induites, on obtient un outil numérique robuste et rapide.

D’encourageants résultats ont déjà été obtenus et permettent de poursuivre ces développements. Le but est d’envisager la conception du système hélice-tuyère par la compréhension de leur interaction. Pour cela, un très grand nombre de configurations devront être simulées.

En ajoutant une tuyère, on cherche à améliorer la performance propulsive des navires dont l’hélice est très chargée. Il est également envisageable de permettre à des sous-marins rapides d’être équipés d’hélice sous tuyère sans que leur performance propulsive en soit altérée, ce qui est le cas, jusqu’à présent.