Quel est l'effet de la cavitation sur l'hélice d'un bateau ?

La cavitation sur une hélice marine entraîne une diminution de l'efficacité et de la poussée, et génère un bruit et des vibrations excessifs. Elle peut entraîner l'érosion et l'endommagement des pales de l'hélice et compromettre l'intégrité structurelle de l'hélice. En outre, la cavitation affecte la manœuvrabilité du bateau en raison d'une répartition déséquilibrée de la poussée, ce qui peut réduire ses performances globales et sa longévité.

Qu'est-ce que la cavitation des hélices ?

La cavitation est une bulle causée par une vitesse ou une charge excessive de l'hélice. L'eau se vaporise ou bout en raison de la réduction extrême de la pression à l'arrière de la pale de l'hélice. De nombreuses hélices cavitent partiellement en fonctionnement normal, mais une cavitation excessive peut entraîner des dommages physiques à la surface des pales de l'hélice du bateau en raison de l'effondrement des bulles microscopiques sur les pales.

Cause de la cavitation de l'hélice

Grandes vitesses : Lorsque la vitesse de rotation de l'hélice augmente, le risque de cavitation augmente également. À grande vitesse, la différence de pression entre le côté basse pression et le côté haute pression de la pale de l'hélice peut être importante, entraînant la formation de cavités remplies de vapeur.

Immersion insuffisante : Lorsque l'hélice n'est pas entièrement immergée dans l'eau, par exemple lors d'une opération en eaux peu profondes ou lors d'une accélération du navire, la pression de l'eau au-dessus des pales de l'hélice diminue. Cette chute de pression peut déclencher la cavitation.

Conception inadéquate des pales : Une conception inadéquate des pales de l'hélice, y compris une cambrure ou une épaisseur excessive, peut contribuer à la cavitation. Des pales mal conçues peuvent ne pas gérer l'écoulement de l'eau en douceur, ce qui entraîne des zones locales de basse pression qui favorisent la cavitation.

Conditions de mer agitée : Les mers agitées ou les eaux turbulentes peuvent créer des schémas d'écoulement irréguliers autour de l'hélice, augmentant ainsi le risque de cavitation. Les changements soudains de pression de l'eau et les perturbations de l'écoulement peuvent favoriser la formation de cavités remplies de vapeur.

Dommages ou encrassement : Les dommages subis par les pales de l'hélice, tels que les bosses, les entailles ou les irrégularités de surface, peuvent perturber l'écoulement régulier de l'eau et provoquer la cavitation. De même, la présence d'algues marines ou de salissures sur l'hélice peut perturber l'écoulement de l'eau et déclencher la cavitation.

Types de cavitation

Cavitation en nappe :

La cavitation en nappe se produit lorsqu'une grande nappe ou couche de cavités se forme à la surface de la pale de l'hélice. Ce type de cavitation se produit généralement à des angles d'attaque faibles et se caractérise par une structure lisse et continue en forme de feuille. La cavitation en nappe peut entraîner une diminution de l'efficacité de l'hélice et une augmentation du bruit et des vibrations.

Cavitation des nuages :

La cavitation en nuage, également appelée supercavitation, se caractérise par la formation d'un grand nombre de petites cavités ou bulles autour de la pale de l'hélice. Ces cavités sont réparties de manière aléatoire et se forment et s'effondrent constamment. La cavitation en nuage peut se produire à des angles d'attaque plus élevés et est souvent associée à des hélices à grande vitesse ou à des hélices fonctionnant dans des conditions d'écoulement non uniformes. Elle peut entraîner une réduction de la poussée, une augmentation du bruit et une érosion de la surface des pales de l'hélice.

Cavitation à bulles :

La cavitation à bulles fait référence à la formation de cavités ou de bulles isolées et plus grandes sur la pale de l'hélice. Ces bulles se forment généralement à des angles d'attaque élevés et sont plus sporadiques que la cavitation nuageuse. La cavitation à bulles peut endommager gravement les pales d'hélice en raison de l'effondrement des bulles, ce qui entraîne des piqûres, une érosion et une fatigue de la surface.

Cavitation tourbillonnaire :

La cavitation tourbillonnaire se produit lorsque des tourbillons se forment autour du bord d'attaque de la pale de l'hélice. Ces tourbillons peuvent induire des fluctuations de pression qui provoquent la formation de la cavitation. La cavitation tourbillonnaire est couramment observée dans les hélices très chargées fonctionnant à faible débit ou dans les hélices à bord d'attaque tranchant. Elle peut entraîner l'érosion des pales et générer du bruit.

Moyens d'éviter la cavitation

1.réduire l'angle de la pale de l'hélice et l'angle de descente peut être obtenu en ajustant le diamètre de l'hélice

2. pour éviter que la surface de chargement de la face arrière de la pale de l'hélice ne soit trop élevée, on peut utiliser une forme d'interface de pression plus uniforme

3. pour éviter que la section avant de l'hélice ne soit trop haute, l'angle de cambrure et la forme de l'entrée d'air peuvent être ajustés de manière appropriée.

4. régler la vitesse de l'hélice. Un réglage correct de la vitesse peut réduire la cavitation, mais aussi la perte de vitesse.

On dit d'une hélice hors-bord qu'elle est en pleine cavitation lorsque l'ensemble du dos est recouvert de cavitation en nappe. Ce phénomène est également appelé supercavitation. Lorsque l'arrière de la section est complètement dénudé d'eau, l'augmentation du nombre de tours par minute ne peut plus être réduite.

Il n'y a plus de pression à cet endroit, et donc aucune portance supplémentaire ne peut être générée par le dos. Sur la face, en revanche, la pression continue d'augmenter à mesure que la vitesse de rotation augmente, de même que la poussée totale, bien qu'à un rythme plus lent qu'avant le début de la cavitation.

L'effet de la cavitation sur les performances

L'effet de la cavitation sur les performances peut être important. La cavitation commence généralement à l'extrémité des pales et s'étend progressivement à l'ensemble des pales à mesure que la charge de l'hélice augmente. Si la cavitation s'est étendue jusqu'à environ 0,75 rayon, une perte significative de poussée est détectée, suivie d'une diminution du couple, ce qui, dans la pratique, signifie une augmentation significative du nombre de tours par minute pour une puissance donnée. La rupture de la poussée se produisant plus rapidement que le changement de couple, il peut en résulter une réduction significative de l'efficacité. 

Conclusion sur l'effet de la cavitation sur l'hélice d'un bateau

La cavitation a un effet significatif sur les hélices de bateaux et peut avoir un impact sur leurs performances et leur longévité. La cavitation se produit lorsqu'une basse pression se forme autour des pales de l'hélice, entraînant la formation de bulles de vapeur qui s'effondrent ensuite et causent des dommages. Ce phénomène peut entraîner une réduction de la poussée, une augmentation du bruit, des vibrations et une érosion de la surface de l'hélice.

Pour atténuer les effets négatifs de la cavitation, il est possible de recourir à diverses modifications et techniques de conception, telles que la géométrie appropriée des pales, la sélection des matériaux et l'optimisation hydrodynamique efficace. En outre, un entretien régulier, y compris l'inspection et la réparation des hélices, est essentiel pour minimiser l'impact négatif de la cavitation et garantir des performances optimales des systèmes de propulsion des bateaux.

FAQ sur l'effet de la cavitation sur l'hélice d'un bateau

Q : Quelles sont les causes de la cavitation dans les hélices de bateau ?
R : La cavitation dans les hélices de bateau est principalement due à la formation de zones de basse pression autour des pales en raison d'une rotation à grande vitesse ou d'une conception inefficace.

Q : La cavitation est-elle réversible ou a-t-elle des effets permanents sur l'hélice ?
R : La cavitation peut avoir des effets à la fois réversibles et permanents. Les effets réversibles comprennent une baisse des performances, tandis que les effets permanents comprennent l'érosion et l'endommagement de la surface de l'hélice.

Q : La cavitation peut-elle provoquer des vibrations dans le bateau ?
R : Oui, la cavitation peut induire des vibrations dans le bateau, résultant de l'effondrement des bulles de vapeur et de la répartition inégale de la poussée causée par la cavitation.

Q : Existe-t-il des signes avant-coureurs de cavitation sur une hélice de bateau ?
R : Oui, les signes de cavitation comprennent l'augmentation du bruit, la réduction de la vitesse ou de la poussée, les vibrations et l'érosion visible ou la formation de piqûres sur les pales de l'hélice.

Q : La cavitation des hélices peut-elle endommager le moteur ?
R : Si la cavitation de l'hélice n'endommage pas directement le moteur, elle peut l'affecter indirectement en réduisant l'efficacité de l'hélice et les performances globales.

Q : Est-il possible de réparer une hélice endommagée par la cavitation ?
R : Dans de nombreux cas, les dommages causés par la cavitation sur les hélices peuvent être réparés par diverses techniques telles que le soudage, le remplissage ou le reconditionnement, en fonction de la gravité des dommages.

Q : Une modification des conditions d'utilisation du bateau peut-elle prévenir la cavitation ?
R : Modifier les conditions de fonctionnement du bateau, par exemple en ajustant l'assiette, en réduisant la vitesse ou en modifiant la répartition du poids, peut parfois contribuer à minimiser les effets de la cavitation, mais cela ne peut pas éliminer complètement le problème.