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Le bureau d’études MECA, la société Loiretech et le centre de recherche de Naval Group à Nantes se sont associés pour concevoir et développer une hélice en composite et son procédé innovant de fabrication. Initié il y a un peu plus de deux ans dans le cadre d’un programme Rapid de la Direction Générale de l’Armement (DGA), « Fabheli », c’est son nom, a d’abord eu une application civile, puisqu’une première hélice a été testée avec succès, en mars dernier, sur une vedette à passagers.

Ce projet de recherche technologique a démarré en avril 2016 par une phase de numérisation et de calcul conduites par MECA pour la partie mécanique et Naval Group pour la partie hydrodynamique, afin de dimensionner l’hélice composite en fibre de carbone. Celle-ci présente notamment l’avantage d’être deux fois moins lourde que son homologue métallique et doit permettre d’obtenir une emprunte environnementale réduite, avec en particulier une moindre consommation énergétique, de l’ordre de 15%. « L’objectif était de répondre à un cahier des charges très exigeant. En effet, l’hélice subit des contraintes mécaniques importantes en utilisation. C’est pourquoi il a fallu innover dans les concepts, les technologies de production et les traitements de surface afin de les supporter », expliquent les partenaires.

 

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Trouver une alternative économique aux technologies existantes

Une hélice en composite, ce n’est évidemment pas nouveau. Il en existe de différentes tailles et pour différents types de navires, y compris sur des sous-marins, alors que les japonais travaillent même, en ce moment, sur une hélice de 6 mètres de diamètre destinées à un cargo. Ici, l’innovation réside dans la manière de concevoir puis réaliser cet équipement afin de le rendre plus fiable et d’obtenir des coûts de production et de maintenance réduits. « Les hélices de propulsion en composite existent déjà. La technologie traditionnelle employée est celle du pré-imprégné. On réalise deux faces, l’intrado et l’extrado, qui sont recompactées et greffées. Cette technique nécessite de la maintenance et beaucoup de main d’œuvre, ce qui la rend onéreuse. De plus, si elle présente l’avantage d’offrir une performance mécanique très forte, elle a une faiblesse importante sur la liaison, le bord d’attaque et le bord de fuite. Le composite est en effet un matériau assez fragile et en cas d’impact, il peut souffrir de délaminage et s’ouvrir. Nous avons travaillé sur des solutions de renforcement des bords, qui ont été testées chez Naval Group, où nous collaboré avec des spécialistes de l’hydrodynamique. Avec Fabheli, l’objectif était de travailler sur de nouveaux procédés de fabrication, comme l’injection de résine sur les renforts et l’ambition de diminuer la main d’œuvre et le coût si, à l’avenir, il est possible de produire un nombre important de pièces », explique Samuel Durand, de MECA.

 

Diaporama

 

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Les pales démontables avec un système de fixation en créneaux (© DR)

 

Des pales démontables produites d’un seul tenant

Pour y parvenir, il a été décidé de concevoir une hélice avec des pales démontables. Dans le même temps, un procédé RTM (resine transfert molding) en « one shot » a été mis au point pour réaliser ces pièces d’un seul tenant. Avec une liaison pales/moyeu robuste pour un équipement offrant une bonne tenue aux chocs, y compris sur les bords d’attaque avec un renfort de résine.

Equipée d’un revêtement pour réduire le phénomène de cavitation, cette hélice a fait l’objet d’un important travail sur le plan mécanique au niveau de la liaison pales/moyeu. « Les fixations constituent généralement un point faible des pales démontables, avec des problème de desserrage, de jeu et de fatigue. Pour y remédier, nous avons testé différents concepts et de nombreuses configurations sur la liaison du pied de pale. Nous avons cherché à innover et nous avons abouti à un système de fixation en créneaux, l’hélice se fixant mécaniquement sur le moyeu métallique ».

Approche de certification avec le BV

L’un des enjeux de Fabheli était par ailleurs d’inscrire tout cela dans un cadre règlementaire. « Il a fallu construire un référentiel normatif qui existe pour les hélices métalliques mais pas pour les hélices en composite, vu qu’il n’y a pas assez d’applications. Equilibrage, précision, essais nécessaires pour la validation, coefficients de sécurité… nous avons travaillé sur ce point avec le Bureau Veritas, afin de proposer une approche de certification. C’est sur la base de cette approche qui nous avons conçu l’hélice. Il y a eu une pyramide d’essais pour travailler sur les matériaux, des tests en éprouvettes aux coupes pour caractériser la matière, en passant par les essais de traction. Puis nous avons réalisé un prototype et testé les liaisons mécaniques, avant enfin de passer au stade du démonstrateur  ».

 

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Mise au sec de la vedette Le Palais pour installer l'hélice (© DR)

 

Essais en mars sur la vedette Le Palais

Des outillages spécifiques et procédés de fabrication ont été développés avec Loiretech et, en début d’année, le résultat final a vu le jour. Une première hélice en composite de 1.1 mètre de diamètre dotée de 5 pales a été spécialement fabriquée pour être testée en conditions réelles sur un navire, en l’occurrence Le Palais, de la compagnie bretonne Navix. D’une capacité de 286 passagers, cette vedette de 30 mètres et 84 tonnes est propulsée par deux hélices, avec une puissance totale de 2200 cv permettant de dépasser les 20 nœuds.

 

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Installation de l'hélice sur la vedette (© DR)

 

Les essais ont débuté le 19 mars dernier, Le Palais voyant l’une de ses deux hélices classiques remplacées par le démonstrateur Fabheli. « Le montage de l’hélice a été réalisé particulièrement facilement. On l’a fait à la main grâce au gain de poids obtenu avec le composite », souligne Patrice Lefel de la société AML, chargée de la mise en place. Ce fut ensuite l’heure de vérité avec les essais en mer, pour lesquels de nombreuses manœuvres ont été menées afin de mettre l’hélice en composite à rude éprouve et observer son comportement comme ses performances. « Le bateau a été instrumenté avec différents capteurs et de la vidéo sous-marine. Nous sommes ensuite partis en rade de Lorient, puis autour de Groix. Nous avons testé le navire en marche avant, en marche arrière, avec une hélice en marche avant et l’autre en marche arrière, sur un crash stop et à pleine puissance. Nous avons ensuite réalisé des essais d’endurance sur une semaine à différents régimes. Avec une campagne d’enregistrement acoustique de la signature de l’hélice, qui a donné des résultats encourageants. Nous avons tourné à 750 tours et jusqu’à 900 cv par ligne d'arbres, ce qui commence à faire beaucoup de cycles et donne un aperçu représentatif de certains facteurs, comme la tenue mécanique et le serrage ».

 

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Des qualités confirmées

De Lorient à Brest, Le Palais, qui est monté à 21 nœuds, a enchainé les épreuves, considérées comme réussies par les porteurs du projet Fabheli : « Les nombreuses manoeuvres au maximum de la puissance du navire ont permis de valider les qualités intrinsèque de l’hélice composite avec le support de Bureau Veritas. A l’issue de cette opération, l’hélice présente un aspect très satisfaisant ». 

De cette campagne en mer, il ressort d’après Samuel Durand d’autres enseignements. D’abord sur l’objectif visant à améliorer les performances. « Plus souple qu’une l’hélice métallique, elle s’adapte mieux au courant. L’idée est en fait, grâce à ces qualités, d’obtenir un pas variable naturel en fonction de la poussée et de la vitesse. Il y a encore du travail de ce point de vue mais les essais sont prometteurs ».

D’autres développements à venir

De quoi inciter les concepteurs de Fabheli à poursuivre le projet, pour lequel ils ont encore du pain sur la planche. « Il faudra réaliser de nouveaux essais pour valider la question du rendement et de la consommation de gasoil, sachant que nous visons des économies de l’ordre de 15%. Nous prévoyons également d’autres développements techniques pour améliorer l’hélice, tout en optimisant les aspects fonctionnels et les procédés de fabrication ».

De quoi pouvoir envisager une future production en série, qui est le but affiché par MECA et bien entendu Loiretech, société ligérienne spécialisée dans la conception et la fabrication d’ensembles d’outillages complexes pour former, mouler, assembler et contrôler des pièces composites, thermoplastiques et métalliques.

Une maintenance aisée

En termes de maintenance, le concept se veut des plus simples : « Une simple inspection visuelle suffit à détecter un impact ou un phénomène de fatigue, mais on peut aussi imaginer l’intégration de capteurs dans la matière et, ainsi, faire de la maintenance préventive. Les réparations se mènent comme pour une coque en composite, on refait un peu de résine et on ponce, sachant que le réseau de réparation navale spécialisé dans le composite est bien établi et qu’il est donc simple de trouver des prestataires. De plus, en cas de grosse avarie, l’avantage des pales démontables est de pouvoir effectuer rapidement un changement standard ».

Produire en série au prix du marché

Pour que le recours à ces nouvelles hélices en composite se développe sur différents types de bateaux, la question du coût sera évidemment essentielle. C’est comme on l’a vu l’un des grands enjeux du programme Fabheli, « L’idée est de se situer au prix du marché et les premières estimations montrent que nous sommes dans la bonne fourchette. Le plus cher c’est le moule,  la production des pales en composite étant ensuite beaucoup moins onéreuses que les hélices métalliques. L’économie du projet se fera donc sur le nombre d’hélice vendues, permettant des effets de série ».

 

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Construction navale