Brevet FR2087150A1 — publié le 19711231

La présente invention a pour objet un procédé pour améliorer le rendement des hélices de bateaux (bateaux de surface et sousmarins) en luttant contre les phénomènes de cavitation de façon à les supprimer ou à les réduire ; l'invention concerne également les dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé. On connaît déjà un procédé pour améliorer le rendement de la propulsion créée par les hélices de bateaux, ce procédé comportant l'introduction, dans le flux d'eau propulsé par les pales, d'un gaz qui se mélange intimement à ce flux, de telle manière que la fluidité dudit flux soit augmentée, l'insuffluation du gaz utilisé, généralement de l'air, se faisant par des ouvertures débouchant le long du bord de fuite de l'hélice. Un tel procédé a été décrit dans la demande de brevet N 45 172 déposé le 29 décembre 1969 au nom du demandeur et ayant pour titre "dispositif assurant l'inclusion d'air ou de gaz dans le flux d'eau évacué par les hélices de navires lors de leur rotation". Cependant, un tel procédé d'insufflation de gaz au niveau de l'hélice ne permet d'éliminer qu en partie les phénomènes de cavitation, de telle sorte qu'on peut encore accroitre le rendement de la propulsion si l'on réussit à éliminer ou du moins à réduire ces phénomènes. Le procédé de la présente invention permet précisément d'accroître le rendement de la propulsion, en éliminant ou en réduisant tous les phénomènes de cavitation. De plus, il permet, grâce à une répartition judicieuse des moyens décrits ci-après, d'obtenir l'amélioration maximale de rendement, en combirlant les effets bénéfiques des moyens décrits dans la demande de brevet antérieure avec les effets bénéfiques des moyens spécifiques de la présente demande. Ce procédé est caractérisé en ce qu il consiste à envoyer de l'eau, dans la masse d'ex environnant ladite hélice, pr des orifices places sur les zones de l'hélice 31 se manifestent les phénomènes de cavitation, lesdits orifices étant alimentés par un ensemble de conduits lace à 1' Iiterieur de 1' hélice ou rapporté sur la surface de celle-ci. Les moyens ainsi proposes par 1' invention permettent de combattre etticacerne' Les cavitations qui se produisent lors de la rotation de l'hélice et qui absorbent une quantité notable de l'énergie mise en jeu pour le fonctionnement de cette hélice. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les orifices précités sont placés le long des bords d'attaque des pales de l'hélice, ou sur l'extrados au voisinage de ces bords, ou bien sur toute autre région de l'extrados. On remarquera que la section du flux d'eau traité par l'hélice n'est pas modifiée par cette introduction d'eau, alors que l'insufflation d'un gaz dans la région des bords d'attaque aurait pour effet de réduire cette section et par là de diminuer le rendement de l'hélice. Par contre, il est possible et même préférable, conformément à une caractéristique de l'invention, d'insuffler un gaz sur les bords de fuite des pales de l'hélice ou au voisinage de ceux-ci, ce qui ne modifie pas la section du flux d'eau précité et augmente le rendement de l'hélice en raison de l'accroissement de fluidité du flux d'eau traité par les pales de l'hélice, et ce, en combinaison avec la distribution d'eau le long des bords d'attaque des pales ou sur l'extrados. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'eau délivrée par les orifices de son réseau de conduits est prélevée dans la masse d'eau environnant le bateau, puis filtrée pour la débarrasser des impuretés susceptibles d'affecter la libre circulation du fluide dans le réseau précité de conduits, à la suite de quoi, l'eau filtrée est envoyée dans ledit réseau. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'eau délivrée par les orifices du réseau précité provient d'une réserve d'eau portée par le bateau, les canalisations reliant ladite réserve d'eau au réseau précité de conduits étant éventuellement munies d'une pompe de circulation ; selon une variante, il est possible de placer cette réserve d'eau à un niveau suffisamment haut sur le bateau, au-dessus de celui de la surface libre de l'eau, de marnière à créer au niveau des orifices situés sur l'hélice, une pression hydraulique supérieure à la pression hydraulique existant dans lu masse d'eau environnante. De toutes façons, la force centrifuge créée par la rotation des pales facilite la circulation de l'eau introduite dans le réseau précité et ltéjection de cette eau, ce qui pourrait permettre de se dispenser d'une pompe de circulation. On notera que l'insufflation d'un gaz, tel que l'air, dans le flux d'eau traité par l'hélice, à la sortie de celle-ci, à pour effet d'augmenter la vitesse d'évacuation de l'eau de ce flux et d'accroître ainsi les forces de réaction développées. Dans ce cas, l'insufflation de gaz se fait par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs réseaux de conduits de gaz (ces conduits, dans chaque pale, étant de préférence relativement indépendants les uns des autres) essentiellement indépendants du ou des réseaux de conduits d'eau, lesdits réseaux de conduits de gaz étant soit placés à l'intérieur de l'hélice, dans la masse de celle-ci, ou rapportés sur la surface externe de celle-ci, par tous moyens en soi connus, tels que par exemple soudure, crochets, ou pattes de fixation, etc.... Les orifices de distribution de l'eau de même que les ouvertures d'insufflation de gaz peuvent être en nombre quelconque et affecter des formes diverses, tels que petits orifices circulaires ou fentes et délivrer soit des filets, soit des nappes minces de fluide (eau ou gaz). La distribution d'eau ou de gaz aux réseaux précités se fait par l'intermédiaire d'au moins une canalisation d'amenée de l'eau et une canalisation d'amenée de gaz, lesquelles sont de préférence fixes ; chacune de ces canalisations peut être logée soit b l'intérieur de l'arbre d'entraînement de l'hélice, soit à l'exté- rieur de l'arbre par l'intermédiaire d'un palier supportant cet arbre et d'un évidement prévu sur ledit arbre et communiquant avec des canalisations logées dans la tête de l'hélice reliées aux réseaux 4e conduit correspondants (par exemple conformément à la disposition de la figure 3 de la demande précitée), soit dans la tête de l'hélice et maintenu fixe par rapport à la structure de support de l'hélice, c'est-à-dire par rapport au bateau, soit par tout autre moyen ; la canalisation d'amenée de gaz peut être reliée à une source de gaz située sur le bateau ou à une source de liquide susceptible de donner un gaz ou bien elle peut être reliée directement à l'atmosphère, avec interposition ou non d'un ventilateur ou d'un compresseur, l'emploi d'une surpression n'étant cependant pas généralement nécessaire, étant donné l'effet d'aspiration ou de succion créé par la rotation de l'hélice, au niveau des ouvertures d'insufflation de gaz. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple - la figure 1 représente une vue schématique d'ensemble d'un bateau mettant en oeuvre le procédé de l'invention - la figure 2 représente une vue en demi-coupe axiale, avec une partie en vue extérieure, d'une hélice comportant application du procédé ee l'invention ; - la figure 3 est une vue en demi-coupe axiale, avec une partie en vue extérieure, d'une autre hélice comportant application du procédé de l'invention - la figure 4 représente une vue schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. On voit sur la figure 1, un bateau 1 où les références 2 et 3 désignent respectivement l'hélice assurant la propulsion de ce bateau et l'arbre d'entraînement de cette hélice ; ce bateau comporte, au-dessus de la surface libre de l'eau 4, un réservoir d'eau 5 relié à une canalisation aituée à l'intérieur de l'arbre d'entraînement 3 par une canalisation 6 ; la canalisation située à l'intérieur de l'arbre d'entraînement creux 3 est reliée à un réseau de conduits d'eau, les extrémités aval de ces conduits débouchant dans la masse d'eau environnant ladite hélice par des orifices tels que 7 et 8 situés repectivement selon les bords d'attaque et de fuite des pales de l'hélice 2. La flèche f désigne le sens de déplacement du navire et la flèche f' le sens de propulsion du flux d'eau traité par lthelice Z L'introduction d'eau dans le milieu ambiant, dans les conditions précitées, a pour effet de faire disparaître ou de réduire considérablement les phénomènes de cavitation, ce qui permet d'augmenter considérablement le rendement de l'hélice. A vitesse de rotation de l'hélice égale, la dépense d'énergie masse en oeuvre est plus faible ; par conséquent il est possible, suivant le résultat à atteindre (vitesse limite plus grande ou économie d'exploitation),soit d'augmenter le pas de l'hélice du bateau, scit d'utiliser sur le bateau des moteurs développant une énergo T c-iVe. On voit sur la figure 2, un dispositif permettant de réaliser simultanément l'insufflation d'air et l'introduction d'eau dans la masse d'eau environnant l'hélice. Les références 8, 9 et 10 désignent respectivement une pale de l'hélice, la tête de l'hélice et l'arbre d'entraînement de celle-ci. Les flèches f et f' désignent respectivement le sens d'avancement du bateau et le sens de propulsion du flux d'eau traité par l'hélice, de telle sorte que la référence 12 désigne le bord d'attaque et la référence 13 le bord de fuite de la pale 8. On suppose que l'hélice tourne dans le sens des aiguilles d'une montre pour un observateur placé en arrière du navire qui regarderait la tête de l'hélice. La pale 8 comporte un réseau 14 de conduis d'eau et un réseau 15 de conduits d'air séparés par une cloison 16 ou analogue. Le réseau 14 comprend deux conduits 14a et 14b situés sur le bord d'attaque 12 et deux conduits 14c et 14d situés sur l'extrados ; ces conduits possèdent une pluralité de petits orifices tels que 17, situés sur le fil du bord d'attaque pour les conduits 14a et 14b, par lesquels l'eau est introduite dans la masse d'eau environnant l'hélice. Les conduits 14a, 14c et 14d sont reliés à la canalisations 18a elle-même reliée à une canalisation intermédiaire 18 située dans la tête de l'hélice, laquelle est reliée à une canalisation d'amenée d'eau fixe 19, par l'intermédiaire d'une chambre annulaire 20, constituée par une gorge périphérique de l'arbre d'entraînement 10, et de deux courts conduits transversaux 2Ia et 21b ménagés suivant un diamètre de cet arbre, des moyens d'étanchéité non représentés étant disposés au niveau de la jonction entre la canalisation fixe 19 et l'arbre creux 10 qui est entrain en rotation par des moyens non représentés sur cette figure. Le conduit 14b est directement relié à la canalisation intermédiaire 18. On remarque que l'effet d'aspiration d à la force centrifuge est plus accentué dans les conduits 14a, 14c et t 4d que dans le conduit 14b; par conséquent si le conduit lwa communiquait directement avec le conduit 14bon aurait un risque de rentrée d'eau dans le conduit 14b, par les orifices 17 de ce conduit, sous l'effet d'une aspiration plus puissante créée dans e conduit la ; la disposition de conduits branchés mise en oeuvre permet d';viter et inconvtjnient s'lavait tendance à se o rodixire . Le réseau 15 de conduits d'air comprend un seul conduit qui est placé suivant le bord de fuite de la pale 8, ce conduit de gaz comportant une multitude de petites ouvertures telles que 22 (sauf dans la partie de ce bord de fuite proche de la tête de l'hélice pour éviter toute rentrée accidentelle d'eau extérieure dans cette partie) dans lesquelles de l'air est insufflé dans le flux d'eau évacué par l'hélice. Ce conduit 15 communique avec une canalisation d'amenée d'air 23 qui est maintenue fixe, grâce à des moyens non représentés, permettant de relier la section 23a de celle-ci située hors de la tête 9 à la coque du batiment ; la section 23b de cette car,E sation comporte dans sa paroi latérale, quatre orifices tels que 24 par lesquels le gaz peut s'écouler dans le conduit 15 ; l'extrémité aval de cette section 23b est munie d'un téton fileté 23c sur lequel est vissé un bouchon 25 en polytétrafluoroéthylène, lequel est appliqué de manière étanche contre l'épaulement 26 grâce à un ressort 27 prenant également appui sur la butée à bille 28 placée à l'extrémité de l'arbre d'entraînement 10. La disposition précitée permet de maintenir les canalisations 19 et 23 fixes, tout en assurant une alimentation continue des deux réseaux indépendants 14 et 15, en eau et en gaz, respectivement. On remarquera qu'en marche arrière (rotation de sens inverse de l'hélice) la face dessales portant les conduits 14c et 14d devient l'intrados, auquel cas il devient nécessaire de rendre ces conduits non fonctionnels par un moyen quelconque (par exemple par registre ou vanne commandé manuellement ou automatiquement). Dans le dispositif de la figure 3, qui constitue une variante de celui de la figure 2, la canalisation d'amenée de liquide 19' est constituée par un alésage interne de l'arbre d'entraînement lO',de de telle sorte que cette canalisation tourne en même temps que l'arbre ; la distribution de l'eau se fait par l'intermédiaire de deux conduits radiaux 20' et 21 ' , le conduit 20' communiquant avec le réseau 14' de la pale 8'. La structure des moyens d'amenée de gaz est sensiblement différente de la structure correspondante de la figure 2. En effet, la tête 9' de l'hélice comporte ici un logement axial inportant '9 dans lequel est vissée une bague 30 servant à retenir un ensemble fixe 31 , c'est-à-dire un ensemble qui n'est pas solidaire en rotation de la tête 9' . Cet ensemble est constitué d'ur. élément conique 31a et d'un élément cylindrique 31b raccor ocs par vissage réciproque, ces éléments étant munis d'alésages déterminant la section 23'b de la canalisation d'amenée 23' d'air, dDnt l'autre section 23'a est constituée par un tube fixé sur l'élément conique 31 a. La canalisation 23 communique avec le réseau 15' de conduits d'air par l'intermédiaire d'une chambre 3' déterminée entrele fond du logement 29 et la face située el regard de l'élément cylindrique 31b. Les orifices de sortie d'eau 17' et de sortie d'air 22' sont placées ici, non pas sur le fil des bords d'attaque et de fuite des plues, mais sur l'extrados des pales, à proximité immédiate de ces bords d'attaque et de fuite, respectivement, comme montré par la partie de la pale 8' qui est représentée en vue extérieure. Sur la figure 4, on a représenté un mode de réalisation des yens d'alimentation en eau du réseau de conduits, non représentés, ogés dans l'hélice 33. L'eau amenée dans ce réseau est prélevée directement en 34 dans la masse d'eau environnant le bateau et île est amenée par une canalisation 35a à un filtre 36 qui la ,i barrasse de ses impuretés ; l'eau ainsi filtrée est amenée Lar la canalisation 35b à une pompe de circulation 37 qui l'envoie, ,ar l'intermédiaire du distributeur 38 et de la canalisation 35c, ans la canalisation 39, logée à l'intérieur de l'arbre d'entrai- ement creux 40, les canalisations 35c et 39 se raccordent en 1 c'est-à-dire à l'extrémité ouverte de l'arbre 10 ; toutes es canalisations sont fixes ; un gaz est amené simultanément par la canalisation 41a ai distributeur 38, puis par la canalisattn 41b dans la tête de l'hélice. Lors de la marche en avant du bateau, la canalisation 39 alimente un réseau d'orifices placés le long des bords d'attaque 42 et la canalisation 41b un réseau l'ouvertures placées le long des bords de fuite 43 ; on suppose ici que l'orientation des pales est telle que le bateau est propulsé en avant lorsque l'hélice est entraînée dans le sens des a villes d'une montre (pour un observateur situé en arrière du o teau) et en conséquence propulsé en arrière lorsque l'hélice est entraînée dans l'autre sens. Pour la marche arrière, on inverse les communications entre les canalisations par la manoeuvre du distributeur 38, de telle sorte que d'une part la canalisation de gaz 41a débite maintenant dans la canalisation 39 et amène le gaz par l'intermédiaire du réseau correspondant de conduits des pales le long des bords 42 des pales, à présent bords de fuite, et que d'autre part la canalisation d'eau 35b alimente la canalisation 41b et amène l'eau, par l'intermédiaire du réseau correspondant de conduits des pales, le long des bords 43 des pales, à présent bords d'attaque. Un tel système d'inversion des rôles des réseaux de conduits d'eau et de gaz des pales permet de conserver un rendement optimal en marche arrière, lorsque les conditions d'un rendement optimal de l'appareillage ont été prévues pour la marche avant. Cette variante permet aussi de se dispenser d'un réservoir d'eau placé sur le bâtiment ; selon une modification de ce dernier dispositif, l'eau refoulée par la pompe 37 pourrait être ren voyée à un réservoir de stockage, ce qui permettrait de modifier facilement le débit d'eau éjecté, en raison de l'existence même de la réserve d'eau dans laquelle on pourrait envoyer l'eau en permanence, c'est-à-dire même lorsque l'hélice ne fonctionne pas. Bien que les dispositifs de la présente invention soient prevus pour l'injection d'eau sans injection de gaz, ou pour les injections simultanées d'eau et de gaz, on remarquera qu'il est possible de convertir facilement un dispositif donné en faisant jouer à tout ou partie des conduits d'eau (ou de gaz) le rôle de conduits de gaz (ou d'eau);c'est ainsi par exemple qu un tel dispositif pourrait être utilisé en faisant jouer à tous ses conduits le rôle de conduits de gaz. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour améliorer le rendement des hélices de bateaux de surface et sous-marins, par lutte contre les phénomènes de cavitation, caractérisé en ce qu'il consiste à envoyer de l'eau dans la masse d'eau environnant ladite hélice, par des orifices placés sur les zones de l'hélice où se manifestent les phénomènes de cavitation, lesdits orifices étant alimentés par un ensemble de conduits placé à l'intérieur de l'hélice ou rapporté sur la surface de celle-ci. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices précités sont placés selon les bords d'attaque des pales de l'hélice ou au voisinage immédiat de ceux-ci sur l'extrados, ou sur toute autre partie de l'extrados. 3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que desouvertures d'échappement de gaz dans ladite masse d'eau environnante sont prévus le long des bords de fuite des pales ou au voisinage de ceux-ci. 4. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'eau destinée à être délivrée par lesdits orifices est prélevée dans la masse d'eau environnant le bateau, puis filtrée, avant d'être envoyée dans lesdits conduits. 5. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'eau destince à être délivrée par lesdits orifices provient d'une resserve d'eau portée par le bateau. 5. - Dispositif pour améliorer le rendement des hélices de bateaux de surface ou sous-marins, par lutte contre les phénomènes de aviation, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un réseau de conduits d'eau placé à l'intérieur de l'hélice ou rapporté sur celle-ci, des orifices placés le long de ces conduits de façon à assurer leur libre communication avec le milieu environnant, au moins une canalisation d'amenée d'eau communiquant avec le côté aval dudit réseau et des moyens d'alimentation en eau de cette canalisation. 7. - Dispositif se con la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un réseau de conduits de gaz, indépendant dn réseau de conduits 'eau, lesdits conduits de gaz débouchant dans le flux d'eau traité par ladite hélice par des ouvertures d'éjection de gaz et étant alimentées en gaz à leurs extrémités amont. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les orifices précités dudit réseau de conduits d'eau débouchant le long des bords d'attaque des pales de l'hélice et/ou au voisinage de ceux-ci sur l'extrados et/ou en tout autre région de l'extrados siège d'un phénomène de cavitation, tandis que les ouvertures précitées dudit réseau de conduits de gaz débouchent le long des bords de fuite des pales et/ou au voisinage de ceux-ci sur l'extrados. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le réseau de conduits de gaz est relié à son extrémité amont à une canalisation fixe d'amenée de gaz, située à l'intérieur d'un ensemble monté tourillonnant dans la tête de l'hélice, ladite canalisation étant reliée à une source de gaz ou à l'atmosphère et maintenue fixe durant la rotation de l'hélice par rapport au bateau tandis que la canalisation d'amenée de l'eau est logée à l'intérieur de l'arbre d'entraînement de l'hélice. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation en eau comprennent une prise d'eau dans le milieu liquide environnant et un système de filtrage des impuretés. 11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10 caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation en eau comprennent un réservoir d'eau porté par le bateau et placé à un niveau supérieur à celui de la surface libre de l'eau, de manière à créer une sr pression d'eau au niveau desdits orifices. 12. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comprennent une pompe de circulation. 13. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend un système d'inversion des alimentations des réseauide conduits d'eau et de conduits de liquide.