Cours de Manœuvre 5 ème année / L HELICE

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1 L HELICE GENERALITES Histoire Définition Principe fondamental de la dynamique en translation Caractéristiques physiques d une hélice LA POUSSEE DE L HELICE Rappel sur la théorie des ailes (ou plan mince) Le role de l hélice La poussée de l hélice Pourquoi une hélice est-elle vrillée? Le pas n est pas le calage. L abus de langage! L effet de pas Les phénomènes de cavitation, de décrochage et d aération de l hélice. LES HELICES A PALES FIXES Effet évolutif d une hélice à pales fixes Fonctionnement LES HELICES A PALES ORIENTABLES Effet évolutif d une hélice à pales orientables Effet évolutif d une hélice à pales orientables NAVIRES EQUIPES DE 2 LIGNES D ARBRE L effet d excentricité L effet de différenciation Navire équipé de 2 hélices à pas fixe Navire équipé de 2 hélices à pas variable

2 1. GENERALITES 1.1 Histoire L utilisation de l hélice pour la propulsion des navires a vu le jour dans la première moitié du 19 e siècle lorsque les machines à vapeur alternatives eurent atteint un degré de fiabilité et un rendement acceptables pour pouvoir concurrencer les bateaux à voiles pour lesquels l énergie du vent était gratuite. Ce n est que dans la deuxième moitié du 19 e siècle que l hélice l emporta définitivement sur les voiles et les roues à aubes. Plusieurs pays revendiquent la paternité de l invention de l hélice dans les années Côté français, l inventeur de l hélice est Frédéric Sauvage dont le brevet a été déposé en 1833 (hélice à une seule spire). Les premières hélices n étaient ni plus ni moins qu une vis d Archimède dont la longueur était égale au pas géométrique. Augustin normand aura l idée de fractionner la spire complète en 2 ou 3 parties : les hélices à pales apparaissent! Par modifications successives de la forme des pales et de leur nombre résultant d essais sur modèles et sur bateaux réels, l hélice aboutit aux formes actuelles. Sauf pour des applications spéciales, l hélice est l organe propulsif de presque la totalité des bateaux depuis le petit bateau de plaisance motorisé jusqu aux plus gros navires de commerce. Les autres moyens existants sont les hydropulseurs et les propulseurs épicycloïdaux type Voith Schneider. 1.2 Définition Hélice, (Larousse) : nom féminin. Appareil de propulsion, de traction ou de sustentation, constitué par des pales dont les surfaces sont disposées régulièrement autour d'un moyeu actionné par un moteur et appliqué aux navires, aux torpilles, aux aéronefs. 1.3 Principe fondamental de la dynamique en translation Le comportement de l hélice est souvent assimilé à celui d une vis ; en réalité, il est bien plus complexe et relève de la théorie du plan mince. D une manière générale, l hélice permet d accélérer les particules d eau qui la traversent tout en leur imprimant un mouvement rotatif. Cette accélération des particules se traduit physiquement par l apparition d une poussée qui propulse le navire et se quantifie mathématiquement par : T = M x (V 2- V 1)/dt (ou f=m.a : principe fondamental de la dynamique en translation) T : poussée de l hélice M : masse du navire V2 : vitesse des particules d eau en sortie de l hélice V1 : vitesse des particules d eau entrant dans l hélice

3 Cette égalité montre que pour générer une même poussée, il est possible d accélérer faiblement une grande quantité d eau (hélice de grande taille tournant lentement) ou à l inverse, d accélérer grandement une faible quantité d eau (hélice de petite taille tournant rapidement). Pour obtenir le meilleur rendement global de l appareil propulsif et répondre à un cahier des charges spécifique (vibration, cavitation, tirant d eau, capacité de manœuvre et de giration, aptitude à stopper le navire, coût ), le rapport diamètre d hélice / vitesse d hélice est le fruit d un compromis. Des études montrent que dans des conditions optimales de vitesse navire et de poussée, V 1= V 2 / Caractéristiques physiques d une hélice Les caractéristiques principales d une hélice sont : le diamètre (de quelques centimètres à 10 mètres) le poids (jusqu à une centaine de tonnes) La plus grosse hélice jamais construite est actuellement celle du MSC London (2014). Le diamètre est de 10,30 mètres, elle pèse 113 tonnes et possède 5 pales. le nombre (allant de 2 à 7) et le type de pales (forme et surface) le matériau employé (en grande majorité (70 à 80 %) en bronze-al-ni ou bronze-al-mn (plus des traces de fer, etc.) pour améliorer la résistance à la corrosion). le pas d hélice o le pas géométrique : distance P que parcourt un profil théorique situé à la distance r du moyeu après un tour complet. C est la distance qui serait parcouru par l hélice si elle fonctionnait comme une vis

4 o le pas effectif : dans l eau, l hélice ne se visse pas comme dans un écrou, elle s appuie sur l eau. Le pas effectif est la distance réellement parcourue par l hélice après un tour complet o le glissement : il s agit de la différence entre les 2 pas. o Sens du pas : une hélice est dite pas à droite quand un observateur placé sur l arrière du navire voit l hélice tourner dans le sens des aiguilles d une montre. Les hélices à pales fixes sont toujours à droite. Les hélices à pales orientables (navire à 1 seule hélice) sont en générale à gauche pour que l effet de pas, machine en arrière soit le même que celui d une hélice à pales fixes! 2. LA POUSSEE DE L HELICE 2.1 Rappel sur la théorie des ailes (ou plan mince) Aile réelle en fluide réel : Comme évoquée précédemment, le fonctionnement hydrodynamique d une hélice relève de la théorie du plan mince en fluide réel. Observons les trajectoires de 3 particules placées sur 3 lignes de courant le long d une aile ou plan mince : C T C v B f - + P - + B A A Angle d incidence La particule B s est déplacée beaucoup plus vite que la particule C et la particule A un peu moins vite que C. D après le théorème de Bernouilli, à une augmentation de vitesse correspond une diminution de pression, et inversement ; donc nous aurons une très forte diminution de pression sur le dessus de l aile, et une légère augmentation de pression au-dessous de l aile. Cette différence de pression créé une force f perpendiculaire à l aile orientée vers le haut et qui s applique sur l avant de l aile ; elle se décompose : - en une force P appelée la portance perpendiculaire au vecteur vitesse de l aile et est donnée par la formule P=k.S.V² (S : surface du plan mince / V : vitesse du fluide) - en une résistance de trainée T orientée dans le sens du vecteur vitesse.

5 Influence de l angle d incidence i : Angle d incidence : angle que fait la corde de profil de l'aile avec le vecteur vitesse du fluide. Corde de profil : droite imaginaire qui passe par le bord d attaque et le bord de fuite Si l angle d incidence augmente, le chemin parcouru par la particule B est encore plus long ; sa vitesse augmente, la dépression au-dessus de l aile croit encore et la portance augmente. Cependant, à partir d une certaine vitesse, en raison du décollement de la couche limite sur l aile, une zone tourbillonnaire se forme ; la dépression sur le dessus de l aile décroit. La portance chute tandis que la trainée augmente. L angle d incidence correspondant à ce phénomène s appelle angle de décrochement. Ce phénomène est analogue à celui rencontré sur un gouvernail. Géométrie d une aile : Extrado : surface convexe et supérieure de l aile. C est la face du côté de la portance. L extrado est plus long que l intrado. Les particules d eau qui le longe parcourt donc une distance plus importante que celles qui suivent l intrdo. Cette particularité, appelé «effet de de cambrure» permet d augmenter la portance et retarde le décrochage mais elle augmente la trainée. Intrado : surface inférieure de l aile. Bord d attaque : section avant d'un profil aérodynamique (aile d'avion, hélice...) ; elle fait face au fluide. 2.2 Le role de l hélice L hélice du navire fournit la force propulsive au navire. La machine n est chargée que de fournir le couple C nécessaire à la rotation. En régime stable, le couple hydrodynamique résistant de l hélice équilibre le couple fourni par le moteur de sorte que : P=k.N.C (ou P=C. ω) avec N (vitesse moteur en tr/mn) Cette puissance est inférieure à celle délivrée par le moteur en raison du rendement des différents organes de l ensemble propulsif.

6 Rendement réducteur : 0.95 Rendement hélice : 0.6 à 0.7 Interférence carène / hélice : 0.85 à 1 Finalement, le rendement propulsif global est de l ordre de 0.5 à La poussée de l hélice : Considérons le profil d une pale d hélice située à la distance r de l axe de rotation, O le centre du moyeu, et Ox, Oy et Oz trois axes liés au navire. Ce profil peut être assimilé à une portion d aile telle que celle que nous venons de l étudier. Faisons tourner cette aile dans l eau avec une vitesse angulaire ω, sa vitesse est v=r.ω. Soit V la vitesse d entraînement ou la vitesse du navire ; la vitesse résultante de la portion d aile est W, vitesse absolue qui fait un angle apparent α avec le plan transversal Oxy. Les filets d eau qui s écoulent autour du profil à la vitesse W créent une force élémentaire f. Elle se décompose en une force de traînée opposée à W et à une force de portance normale à W ou encore à une force fx vers l avant du navire et une force fy dans le plan transversal. Finalement : - La force motrice F L développée par l hélice est la résultante de toutes les forces fx (parallèles à 0x). F L = fx - La force pour faire tourner l hélice est F N = fy.la puissance est (au rendement près des différents organes de l ensemble propulsif) P=C. ω avec C= fy.r Remarque : Pour que ce plan mince reçoive une poussée de l eau dirigée vers l avant, il faut que son incidence i par rapport à W soit orientée vers l avant. Son orientation avec le plan transversal est le calage: θ= α+ i.

7 2.4 Pourquoi une hélice est-elle vrillée? La section du profil des pales est plus épaisse à proximité du moyen afin de résister aux contraintes mécaniques engendrées par les forces en présence. La trainée y est forte. En s éloignant du moyeu, les contraintes diminuent, ce qui permet une réduction de l épaisseur et une moindre trainée. La vitesse linéaire de rotation v diminue avec r (v = ωr ). Comme V (vitesse navire) est uniforme, α et θ augmentent lorsque l élément de surface se rapproche de O. Pour maintenir une incidence i orientée vers l avant tout le long de la pale, il faut augmenter le calage θ en se rapprochant du moyeu : la surface de la pale est donc vrillée. Le vrillage de la pale permet donc de régler l'angle d'incidence i des profils en fonction de leur distance par rapport au moyeu. Vers le bout de pale Vers le pied de pale (moyen) O O V=r. ω w V =r. ω w V α I inchangé V α I inchangé Calage θ' Calage θ V=r. ω < V =r. ω θ < θ Le vrillage de la pale de l'hélice est l'angle θ'- θ entre la corde du profil de bout de pale et la corde du profil de pied de pale. L'angle de vrillage de pale indique la torsion de la pale.

8 2.5 Le pas n est pas le calage. L abus de langage! Dans le langage courant, l expression hélice à «pas fixe» est impropre car, en fait, elle désigne une hélice dont le calage est fixe, mais dont le pas varie tout le long de l'envergure de la pale (P=2.π.r.tgθ avec θ fixe et r variable). Ces hélices sont rares car un calage se doit d être progressif pour régler l'angle d'incidence i (des profils en fonction de leur distance par rapport au moyeu) de la manière la plus efficace. L'expression courante hélice à «pas variable» désigne une hélice dont on peut faire varier collectivement le calage θ de toutes les sections grâce au montage de la pale sur un axe. Son pas varie tout le long de l'envergure de la pale (P=2.π.r.tgθ avec θ variable et r variable) 2.6 L effet de pas Lorsque le navire fait route, l écoulement de l eau sur la partie arrière ou est implantée l hélice n est pas uniforme. L écoulement est perturbé par deux phénomènes : - L écoulement turbulent le long de coque : la proximité de la surface et de la coque arrière aux formes complexes en sont à l origine (couche limite) - La variation de pression hydrostatique sur les pales. Observons les conséquences de la variation de pression hydrostatique sur une hélice à 4 pales, pas à droite : Nous savons que les filets d eau qui s écoulent autour d une pale d hélice créé, entre autres, une force F N dans le plan transversal. Comme la pression hydrostatique augmente proportionnellement avec la profondeur, la force F N exercée par chaque pale sur l eau augmente avec celle-ci. Si on considère une hélice à 4 pales, pas à droite, la résultante F pas= F N1+ F N2+ F N3+ F N4, appliquée en O, est une force dirigée vers la droite pour une machine en marche Avant et vers la gauche pour une machine en marche arrière. H 1 F N1 F N4 F pas H 3 F N2 F N3

9 2.7 Les phénomènes de cavitation, de décrochage et d aération de l hélice. La cavitation En rotation, l hélice engendre des variations de pression entre l extrados et l intrados. La pression sur l extrados est parfois suffisamment faible pour provoquer la vaporisation de l eau à température ambiante. Cela entraine l apparition de bulles gazeuses macroscopiques à la surface des pales. Lorsqu elles approchent une zone de plus forte pression, ces bulles éclatent en créant un fort dégagement d énergie. Ce phénomène appelé cavitation, érode les hélices, augmente la trainée du navire et induit des vibrations. La cavitation apparait dans les zones de l hélice où la vitesse linéaire est la plus importante (bout de pale) et dans celle ou la section est la plus épaisse (bord d attaque et moyen). Le décrochage Lorsque l hélice tourne à une vitesse trop élevée, la dépression sur l extrados va jusqu à créer un vide entre la pale et le liquide ; la pale décroche, la portance chute. Le phénomène d aération Lorsqu une pale passe au point haut de sa rotation, la dépression générée sur l extrados combinée à la faible pression hydrostatique peut entrainer l aspiration d air. L écoulement est alors très perturbé et la poussée diminue. 3. LES HELICES A PALES FIXES Effet évolutif d une hélice à pales fixes En marche avant Pour une hélice à pale fixe, pas à droite : l effet de pas F pas entraîne l arrière du navire sur la droite. Cette force latérale étant sur l arrière du centre de gravité G, elle créé un moment évolutif sur la gauche. L effet est faible et facilement corrigé en utilisant la barre. Parfois, la ligne d arbre des navires est décalée de quelques degrés (<5 ) vers la gauche pour annuler cet effet. G d F pas

10 En marche arrière Pour une hélice à pale fixe, pas à droite : en inversant le sens de rotation de la ligne d arbre, l hélice ne fonctionne plus de manière optimale. Le bord d attaque devient bord de fuite, l extrados normalement convexe devient intrados, la cambrure est inversée, la portance diminue et surtout la trainée augmente beaucoup. L effet de pas est important. Il est en plus renforcé par les filets d eau dirigés de l arrière vers l avant qui viennent frapper la voute arrière tribord. G d F pas Pour une hélice à pale fixe, pas à droite, l effet de pas Fpas, machine en arrière, entraîne l arrière du navire sur la gauche. Cette force latérale étant sur l arrière du centre de gravité G, elle créé un moment évolutif sur la droite. Par convention, le manœuvrier dit que le navire a un effet de pas à droite (même si finalement, c est l arrière qui part à gauche!) 4. LES HELICES A PALES ORIENTABLES 4.1 Fonctionnement L hélice à pales orientables n est pas monobloc comme l hélice à pales fixes. Elle est composée d un moyeu d arbre d hélice et de pales orientables qui peuvent tourner autour d un axe perpendiculaire à la ligne d arbre. L orientation des pales est obtenue par un mécanisme hydraulique. Le moteur tournant toujours dans le même sens, l inversion du sens de la poussée de l hélice est obtenue en modifiant l orientation des pales. Le pas est dit positif en marche avant, négatif en marche arrière et pas à «zéro» quand la poussée est nulle. La poussée est maximale lorsque le pas est maximal. Le moteur tourne en général à vitesse constante. Les hélices à pales orientables sont également appelées hélice à pas variable. Avantages :

11 - Elles permettent un changement d allure avec une grande souplesse. Mais, cela peut être long! - Le moteur tourne à vitesse constante et n est jamais stoppé en manœuvre. - Possibilité d obtenir une vitesse navire faible - Fiabilité - Souvent associé à des safrans type Becker ou schilling Inconvénients : - Effet de pas permanent - Coût plus élevé à l achat et à la maintenance - L hélice tourne toujours => attention aux aussières! - Rendement de l appareil propulsif en marche arrière - Si la réduction de pas est trop rapide, Effet écran qui empêche le passage des filets d eau sur le safran => attention au manque à gouverner! 4.2 Effet évolutif d une hélice à pales orientables En marche avant Pour une hélice à pales orientables pas à droite : l effet évolutif est comparable à celui d une hélice à pales fixes. L effet de pas F pas entraîne l arrière du navire sur la droite. Cette force latérale étant sur l arrière du centre de gravité G, elle créé un moment évolutif sur la gauche. G d F pas L effet évolutif est proportionnel à l incidence du pas et à la vitesse de rotation de l hélice. Il est maximal quand le pas est maximal. Il est facilement contrôlable avec la barre. En marche arrière Pour une hélice à pales orientables pas à droite : en inversant l incidence des pales sans changer le sens de rotation de la ligne d arbre, l hélice ne fonctionne plus de manière optimale. L extrados devient intrados, la portance est inversée mais pas la trainée qui augmente beaucoup. Le sens de l effet de pas est inchangé. L effet de pas est plus important à cause d une trainée plus forte et de l apparition de l effet de voute sur tribord arrière. L effet de pas F pas entraîne l arrière du navire sur la droite. Cette force latérale étant sur l arrière du centre de gravité G, elle créé un moment évolutif sur la gauche.

12 G d F pas Par usage et de manière à retrouver un effet de pas similaire à celui d un navire à hélice «pas fixe droite», les navires à hélices à pas variables sont en général «pas à gauche». Ainsi, lorsque la machine est en arrière, l avant vient à droite! 5. NAVIRES EQUIPES DE 2 LIGNES D ARBRE Certain navires sont équipés de 2 lignes d arbre. Cette configuration se trouve sur les navires dont les capacités de manœuvre doivent être bonnes. Elle est par ailleurs un gage de sécurité car la perte d une ligne d arbre n empêche pas de naviguer. L évolution des navires est alors soumise à deux effets : - L effet d excentricité - L effet de pas (étudié précédemment) 5.1 L effet d excentricité Il s agit du couple créé sur le navire autour du centre de gravité G par l action de la propulsion sur une seule ligne d arbre. L effet est d autant plus important que les lignes d arbre sont distantes :

13 G Si la machine tribord est en avant, il apparait un moment giratoire M AV=dxP, le navire vient à gauche. d P 5.2 L effet de différenciation L effet d excentricité sur chaque ligne d arbre peut être exploité pour faire tourner le navire sans qu il prenne de vitesse (c est l évitage). Il suffit de mettre une machine en avant et l autre en arrière. L effet sera plus fort si on utilise le safran de la machine disposée en avant. G d d P La machine tribord est en avant, il apparait un moment giratoire M AV=dxP, le navire vient à gauche. La machine babord est en arrière, il apparait un moment giratoire M AR=dxP, le navire vient à gauche et est freiné. P Cy La portance du safran créé un moment évolutif supplémentaire M S=dxCy

14 5.3 Navire équipé de 2 hélices à pas fixe Elles peuvent être supra convergentes ou supra divergentes : - En marche avant, les effets d excentricité s annulent - En marche avant, les hélices sont de pas contraires, de façon à contrarier les effets de pas Hélices supra divergentes, pas fixes Hélices supra convergentes, pas fixes

15 5.4 Navire équipé de 2 hélices à pas variable Elles peuvent être supra convergentes ou supra divergentes : - Les hélices tournent toujours dans le même sens en avant et en arrière => le couple reste inchangé - Les hélices sont de pas contraires, de façon à contrarier les effets de pas Hélices supra convergentes, pas variables Hélices supra divergentes, pas variable