Hélices et systèmes de barre
Hélices
Un peu d'histoire
Archimède, (287-212 avant JC) découvre en Egypte une pompe qui permet de monter l'eau du Nil pour irriguer les cultures, cette pompe est une vis sans fin. Mais Archimède ne savait pas ce qu'était une hélice, et n'a pas pensé une seconde que cette pompe pouvait servir à propulser des navires,
Archimède
L'invention de l'hélice revient, paraît-il, aux chinois, mais c'est véritablement le mathématicien suisse Daniel Bernoulli qui publie en 1738 un ouvrage "Hydrodynamica" exposant le théorème fondamental de la mécanique des fluides ainsi qu'une solution mécanique pour propulser les navires de l'époque, alors uniquement mûs par la force du vent.
Daniel BERNOUILLI
Hélices
L'hélice est un élément technique très important sur un bateau, on la choisira donc avec grand soin. Une hélice transforme la puissance fournie par le moteur en une poussée propulsant le bateau sur l'eau. Sa conception et ses caractéristiques ont une influence directe sur le rendement propulsif, et donc sur la bonne marche du bateau. Un mauvais type d'hélice contribue très souvent à une inefficacité de l'ensemble propulsif du navire. Mais l'hélice n'est pas tout ! Les flux qu'elle engendre inter-agissent avec la coque et le (ou les) safran(s), ce qui explique par exemple les bonnes ou mauvaises capacités manoeuvrières de certains bateaux
Pour chaque application, quelle qu'elle soit, sera déterminé un profil de pale et de moyeu aux caractéristiques géométriques complexes. Métier de spécialistes, la détermination et le choix d'une hélice s'apparentent à un art qui s'appuie sur un savoir-faire et une grande expérience.
Comment les hélices sont-elles fabriquées ?
Hélices
On caractérise une hélice par :
Il existe deux grandes catégories d'hélices:
Hélices
L'effet de pas
Si l’hélice tournait dans un milieu uniforme, le couple résistant
s’appliquerait au centre du moyeu. Mais les pressions hydrostatiques augmentent linéairement
avec la profondeur. Les forces élémentaires f augmentent donc
proportionnellement avec leur enfoncement. Soit f1 et f2 les composantes résistantes de chacune des pales
dans le plan Oyz d’une hélice pas à droite tournant en marche
avant. La résultante de ces 2 forces F est non nulle, appliquée en O’
toujours situé sous O et toujours dirigée vers la droite.
Comme cette force est sur l’arrière du centre de gravité, il en
résulte un effet évolutif du navire sur la gauche pendant la
marche avant (pour une hélice pas à droite). Un raisonnement analogue pour la marche arrière conduit à un
effet évolutif sur la droite.
L’expérience montre que l’effet évolutif en marche arrière est
bien plus puissant que l’effet évolutif en marche avant.
Cela est dû au fait que l’eau projetée vers l’avant par l’hélice en
marche arrière vient frapper la hanche tribord du navire (effet de
voûte). Cela ne se produit pas en marche avant où les filets
d’eau s’éloignent de la coque.
Hélices
Navire à 2 lignes d'arbre:
Les deux hélice sont de "pas" contraire. De sorte qu’en marche
avant ou en arrière à la même vitesse, leurs effets évolutifs
s’annulent. Deux montages sont possibles: des hélices supra-divergentes (C’est le montage à préférer) ou supra-convergentes en marche avant.
Hélices
La cavitation
Ce phénomène, contrariant une bonne poussée, se manifeste lorsque :
- Les pales ne s'appuient plus sur un flux d'eau dans un état laminaire, mais dans un état turbulent de vapeur d'eau (voir contribution de François J. dans la partie forum) qui étant compressible, entraîne une rotation de l'hélice ni régulière ni active.
- Les pales de l'hélice peuvent également aspirer de l'air par effet vortex ou ventilation (notamment lorsque le régime moteur est trop haut sur le tableau AR pour un HB), ou si la distance entre la surface de l'eau et l'extrémité haute des pales est trop faible (pour une ligne d'arbre)... La plaque anti-ventilation sert à limiter ce phénomène.
- Les pales se retrouvent soumises à une pression trop importante par rapport à leur surface, ce qui crée une dépression (côté intrados, en bout de pales). Dans ce cas, la pression côté extrados, ne suffit plus à équilibrer la relation dynamique. L'eau contenue dans cette dépression se dégrade alors physiquement pour former des microbulles qui s'amoncellent jusqu'au décrochage complet des pales (l'hélice ne visse plus dans l'eau, mais dans de l'air).
Il faut distinguer la cavitation périphérique dont la cause est souvent due à une vitesse d'écoulement trop forte (supérieure à 35 ou 40 m/s), de la cavitation totale ou l'hélice ne brasse presque plus qu'un mélange gazeux.
Pour résumer
La cavitation apparaît d'abord en extrémité de pales, avant de les recouvrir entièrement.
On repère facilement ce phénomène lors d'un carénage en observant des bords de fuite dentelés ou un revêtement de surface érodé...
Cavitation d'une hélice en tunel d'essai
(Photo : Harry Turner)
Mise en relief de la sinusoïde que crée l'air dans l'eau et de la cavitation en bout de pales.
Hélices
Comment monter une hélice sur l'arbre d'hélice? :
Pour aller plus loin....
2nde - Les hélices, Les systèmes de barre
clement.chedmail
Created on January 28, 2021
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Hélices et systèmes de barre
Hélices
Un peu d'histoire
Archimède, (287-212 avant JC) découvre en Egypte une pompe qui permet de monter l'eau du Nil pour irriguer les cultures, cette pompe est une vis sans fin. Mais Archimède ne savait pas ce qu'était une hélice, et n'a pas pensé une seconde que cette pompe pouvait servir à propulser des navires,
Archimède
L'invention de l'hélice revient, paraît-il, aux chinois, mais c'est véritablement le mathématicien suisse Daniel Bernoulli qui publie en 1738 un ouvrage "Hydrodynamica" exposant le théorème fondamental de la mécanique des fluides ainsi qu'une solution mécanique pour propulser les navires de l'époque, alors uniquement mûs par la force du vent.
Daniel BERNOUILLI
Hélices
L'hélice est un élément technique très important sur un bateau, on la choisira donc avec grand soin. Une hélice transforme la puissance fournie par le moteur en une poussée propulsant le bateau sur l'eau. Sa conception et ses caractéristiques ont une influence directe sur le rendement propulsif, et donc sur la bonne marche du bateau. Un mauvais type d'hélice contribue très souvent à une inefficacité de l'ensemble propulsif du navire. Mais l'hélice n'est pas tout ! Les flux qu'elle engendre inter-agissent avec la coque et le (ou les) safran(s), ce qui explique par exemple les bonnes ou mauvaises capacités manoeuvrières de certains bateaux
Pour chaque application, quelle qu'elle soit, sera déterminé un profil de pale et de moyeu aux caractéristiques géométriques complexes. Métier de spécialistes, la détermination et le choix d'une hélice s'apparentent à un art qui s'appuie sur un savoir-faire et une grande expérience.
Comment les hélices sont-elles fabriquées ?
Hélices
On caractérise une hélice par :
Il existe deux grandes catégories d'hélices:
Hélices
L'effet de pas
Si l’hélice tournait dans un milieu uniforme, le couple résistant s’appliquerait au centre du moyeu. Mais les pressions hydrostatiques augmentent linéairement avec la profondeur. Les forces élémentaires f augmentent donc proportionnellement avec leur enfoncement. Soit f1 et f2 les composantes résistantes de chacune des pales dans le plan Oyz d’une hélice pas à droite tournant en marche avant. La résultante de ces 2 forces F est non nulle, appliquée en O’ toujours situé sous O et toujours dirigée vers la droite. Comme cette force est sur l’arrière du centre de gravité, il en résulte un effet évolutif du navire sur la gauche pendant la marche avant (pour une hélice pas à droite). Un raisonnement analogue pour la marche arrière conduit à un effet évolutif sur la droite. L’expérience montre que l’effet évolutif en marche arrière est bien plus puissant que l’effet évolutif en marche avant. Cela est dû au fait que l’eau projetée vers l’avant par l’hélice en marche arrière vient frapper la hanche tribord du navire (effet de voûte). Cela ne se produit pas en marche avant où les filets d’eau s’éloignent de la coque.
Hélices
Navire à 2 lignes d'arbre:
Les deux hélice sont de "pas" contraire. De sorte qu’en marche avant ou en arrière à la même vitesse, leurs effets évolutifs s’annulent. Deux montages sont possibles: des hélices supra-divergentes (C’est le montage à préférer) ou supra-convergentes en marche avant.
Hélices
La cavitation
Ce phénomène, contrariant une bonne poussée, se manifeste lorsque : - Les pales ne s'appuient plus sur un flux d'eau dans un état laminaire, mais dans un état turbulent de vapeur d'eau (voir contribution de François J. dans la partie forum) qui étant compressible, entraîne une rotation de l'hélice ni régulière ni active. - Les pales de l'hélice peuvent également aspirer de l'air par effet vortex ou ventilation (notamment lorsque le régime moteur est trop haut sur le tableau AR pour un HB), ou si la distance entre la surface de l'eau et l'extrémité haute des pales est trop faible (pour une ligne d'arbre)... La plaque anti-ventilation sert à limiter ce phénomène. - Les pales se retrouvent soumises à une pression trop importante par rapport à leur surface, ce qui crée une dépression (côté intrados, en bout de pales). Dans ce cas, la pression côté extrados, ne suffit plus à équilibrer la relation dynamique. L'eau contenue dans cette dépression se dégrade alors physiquement pour former des microbulles qui s'amoncellent jusqu'au décrochage complet des pales (l'hélice ne visse plus dans l'eau, mais dans de l'air). Il faut distinguer la cavitation périphérique dont la cause est souvent due à une vitesse d'écoulement trop forte (supérieure à 35 ou 40 m/s), de la cavitation totale ou l'hélice ne brasse presque plus qu'un mélange gazeux.
Pour résumer La cavitation apparaît d'abord en extrémité de pales, avant de les recouvrir entièrement. On repère facilement ce phénomène lors d'un carénage en observant des bords de fuite dentelés ou un revêtement de surface érodé... Cavitation d'une hélice en tunel d'essai (Photo : Harry Turner) Mise en relief de la sinusoïde que crée l'air dans l'eau et de la cavitation en bout de pales.
Hélices
Comment monter une hélice sur l'arbre d'hélice? :
Pour aller plus loin....