Brevet FR2225330A1 — publié le 19741108

La présente invention concerne un dispositif pour réduire les différences de vitesse dans l'écoulement à travers la zone d'action d'une hélice de navire disposée pour tourner derrière un étambot ou un support d'arbre avec une certaine distance entre le bord arrière de l'étambot ou du support d'arbre et la zone d'action, te dispositif étant du type comprenant un ensemble de pompage destiné à engendrer des jets d'eau et/ou de gaz à travers des ajutages qui sont placés à une certaine distance en avant de la zone d'action et dirigés principalement vers l'arrière. A cause du sillage irrégulier d'une coque de navire, les hélices qui propulsent une telle coque travaillent dans des écoulements d'eau présentant des champs de vitesse plus ou moins irréguliers. Au cours de la rotation de hélice, dans le champ de vitesse irrégulier, des forces et des couples de grandeur changeantes, alternant périodiquement, sont engendrés pour chaque profil d'hélice dans une section cylindrique et agissent sur les machines de propulsion et la coque, en y produisant des vibrations et des oscillations qui peuvent entratner des avaries et du bruit.Les propriétés de propulsion et de cavitation de l'hélice sont aussi affectées de façon nuisible par le champ de vitesse inégal qui entratne une répartition de cavitation changeante montrant un accroissement de la cavitation du côté de l'aspiration de la pale d'hélice chaque fois que celle-ci passe à travers des zones de sillage plus important, habituellement derrière l'étambot. La cavitation amplifie fortement les impulsions de pression fournies à la coque en provenance des pales d'hélice. Une réduction de l'irrégularité du sillage permet une forme de pale d'hélice présentant une cavitation distribuée plus ou moins uniformément et qui donne des impulsions de pression plus faibles à la coque. Depuis longtemps un problème a été de réduire les différences de vitesse dans 11 écoulement dans lequel fonctionne l'hélice. On a fait des efforts pour résoudre le problème mentionné en conformant l'arrière-corps avec un renflement. Cependant, une telle forme de coque est conteuse et ses emplois sont limités. On a muni la coque d'ailettes et d'autres dispositifs d'attaque, devant et également au-dessus de l'hélice. Cependant, ceux-ci augmentent la résistance de la coque, et ils sont sensibles aux forces considérables auxquelles ils sont exposés en forte mer. D'autres mesures de construction ont été des ajutages d'hélice et des renflements placés conjointement avec le moyeu d'hélice. Cependant, en considérant combien les ajutages d'hélice affectent l'efficacité de la propulsion, ces derniers ne sont ras convenables sous tous rapports, par exemple pour les navires se déplaçant rapidement. Divers types de renflements ont des limitations du point de vue poids et volume. Les agencements mentionnés agissent "pas9ivement" en détournant et dirigeant plus ou moins efficacement liécoulement afin d'agir ainsi sur la zone de sillage derrière la coque. Les brevets allemands nO 546 477 et 650 590 suggèrent divers agencements avec la possibilité de contrebalancer "activement" l'influence de la zone de sillage irrégulier sur l'écoulement d'une hélice du navire.De l'eau est amenée, à partir d'entrées d'eau ménagLes dans le flanc du navire, à travers des conduites dans la coque, et on la fait sortir à travers une ou plusieurs ouvertures en forme de fente ménagées dans le bord arrière de l'étambot ou support d'arbre derrière lequel fonctionne hélice de navire, ou à travers des ouvertures ménagées dans le flanc du navire très près de l'étambot. Si l'on augmente la vitesse de l'eau qui se déverse, par exemple au moyen d'un ensemble de pompage, comme suggéré dans le brevet allemand nO 546 477, on donne à l'écoulement vers l'hélice du navire un surplus d'énergie augmentant la vitesse de l'écoulement derrière l'étambot ou support d'arbre, où l'influence du sillage sur l'écoulement à travers la zone d'action de l'hélice est habituellement la plus grande.Les agencements indiqués dans les brevets allemands nO 546 477 et 650 590 ont cependant plusieurs inconvénients. Par suite de la disposition des ouvertures de déversement très près de l'hélice du navire, l'eau qui se déverse accélérera l'écoulement à travers une partie de la zone d'action de l'hélice délimitée seulement d'une façon comparativement étroite, ce qui entratne souvent une irrégularité ultérieure dans le champ de vitesse de l'hélice. La forme des ouvertures de déversement conditionnée par leur emplacement, et la forme de l'agencement apportent peu de possibilités de réglage pour les divers états de la coque et conditions de fonctionnement. 'la présente invention a pour but des dispositifs pour réduire les différences de vitesse dans l'écoulement à travers la zone d'action d'une hélice de navire, qui ne présentent pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. L'invention résoud le problème par une influence "active" de l'écoulement d'une manière telle que lton donne un surplus d'énergie augmentant la vitesse à certaines parties de l'écoulement situées en avant de l'hélice, au-dessus de toute la couche limite visqueuse et au plus près le long du flanc de la coque. Un jet d'eau injecté dans une masse d'eau non perturbée depuis un ajutage immergé sous la surface de celle-ci donne une énergie cinétique à l'eau environnante. 'l'écoulement qui est produit de ce fait à partir de 1' ajutage et dans la direction de celui-ci aura, depuis l'ouverture de sortie de l'ajutage, une vitesse continuellement décroissante et une section transversale augmentant. Un jet, qui est émis vers l'arrière dans la couche limite visqueuse au plus près le long d'une partie de la surface d'une coque de navire se déplaçant vers l'avant, crée un champ ou dessin d'écoulement, quelque peu modifié en ce qui concerne à la fois la distribution de vitesse et l'étendue, comme on le verra plus loin.La possibilité d'égaliser, au moyen-de jets, le champ de vitesse dans lequel fonctionne une hélice de navire dépend entièrement du profil de vitesse et de la dispersion des jets. La vitesse de sortie des jets depuis les ajutages et l'emplacement et la forme de ceux-ci sont de ce fait d'une importance décisive. En principe, le profil de vitesse commun des jets et leur dispersion à l'emplacement de la zone d'action de l'hélice doivent suivre étroitement le profil de vitesse de la partie du champ de sillage qui doit btre~contrebalancé, de façon que l'on obtienne un écoulement distribué uniformément à travers la zone d'action. Le champ de sillage a habituellement une ou plusieurs pointes qui dépendent d'un certain nombre de facteurs tels que la vitesse du navire, la longueur et la charge aussi bien que la forme de l'arrière-corps, etc. Derrière un étambot ou un support d'arbre, la forme et les profils de vitesse de la pointe de sillage sont déterminés in abstracto par la couche limite visqueuse située le plus près le long de la surface de la coque et par l'écoulement potentiel. Ceci signifie que la pointe de vitesee devient plus large lorsque l'on se rapproche derrière le bors arrière de l'étambot ou du support d'arbre que plus loin vers l'arrière, du fait que plus près du bord arrière mentionné l'impulsion par l'écoulement potentiel est relativement fort, tandis que plus loin vers l'arrière la largeur de la pointe de sillage est déterminée principalement par l'épaisseur de la couche limite visqueuse. En considération de ce fait, on comprend que les emplacements des ajutages à partir desquels les jets de régularisation doivent être émis, dépendent également de la distance longitudinale entre l'hélice et le bord arrière de étambot ou du support d'arbre placé devant l'hélice. Afin que la couche limite visqueuse située le plus près le long de la surface d'une coque ou d'un support d'arbre puisse être effectivement accélérée par un jet, il est important que, au moyen d'un profil et d'une répartition convenable des vitesses, celle-ci suive étroitement la surface appropriée.Des essais approfondis ont montré que les ajutages doivent entre placés dans la direction de l'écoulement d'entrée de l'hélice aussi loin devant l'hélice que, pour chaque ajutage, la somme des distances dans les directions d'écoulement, de l'ajutage à la zone d'action de l'hélice et du bord arrière de l'étambot dû à la zone d'action, ne tombe pas au-dessous du diamètre de la zone d'action. Sn outre, les vitesses de sortie des jets respectifs ne doivent pas tomber au-dessous de la vitesse du navire. Be meilleur résultat est habituellement obtenu lorsque la somme des distances mentionnées est dans la gamme de 1,5 à 3 fois le diamètre de la zone d'action de l'hélice et quand la vitesse du jet est approximativement deux fois la vitesse du navire. Be sillage d'un navire varie avec les différentes conditions de la surface de la coque et avec les conditions de fonctionnement variées du navire, telles que la charge et la vitesse. Pour la réalisation pratique de l'invention, il est donc convenable que les ajutages soient munis de dispositifs avec lesquels la surface, la forme et la direction des ouvertures de sortie puissent 15tre adap- tées au sillage régnant, et aussi qutil y ait des dispositifs pour régler la vitesse de sortie et le débit des jets. La puissance nécessitée pour la régularisation souhaitée varie de ce fait et, en conséquence, l'entrée de la pompe doit etre variable également soit manuellement, soit automatiquement.On a trouvé pratique de réguler automatiquement l'entrée de la pompe en fonction de la vitesse du navire. On connais bien de tels dispositifs appropriés de types divers et l'on n'a pas besoin de les décrire plus en détail ici. De ce fait, une grande souplesse est possible lors de l'adaptation à des types de navire et des agencements d'hélice variés. Dans le cas de navires mono-hélice, les ajutages sont mieux placés dans le bordage des deux côtés de l'étambot. On doit de ce fait donner une considération particulière à la coopération entre les jets des deux côtés qui peuvent être obtenus dans l'écoulement entre étambot et l'hélice. En raison de la forme de la coque du navire, l'écoulement de l'hélice est habituellement dirigé quelque peu obliquement vers le haut.En plaçant les ajutages, on doit tenir compte de ce fait. 'les jets doivent agir Drincipalement dans la direction de ltécoulement afin qu'il ne soit pas nécessaire de faire agir une puissance inutilement forte dans les parties souhaitées de l'écoulement. n gardant la même considération a l'esprit, les ajutages des navires multi-hélices doivent etre placés d'unefaçon telle que les jets passent sur des parties de la coque, des supports d'arbre ou des arbres d'hélice qui entraient un grand sillage. Dans le cas de certains ajutages, on pourrait donc trouver convenable de ne pas les placer dans le bordage de la coque. Dans les conditions de fonctionnement pratiques une égalisa- tion complète des différences de vitesse dans l'écoulement à travers la zone d'action d'une hélice de navire ne doit pas en règle générale être nécessaire. De mimez lorsque l'on applique l'invention avec des valeurs non optimales pour la disposition des ajutages et pour la vitesse et la forme des Jets, on obtient en règle générale un résultat considérablement meilleur que celui obtenu en employant la technique antérieure où les ajutages sont placés plus près de la zone d'action de l'hélice que la distance qui, selon ltinvention, est la plus petite et au-dessous de laquelle on ne doit pas descendre.Avec la présente invention, il est possible de réduire les variations de la vitesse d'écoulement d'entrée vers l'hélice endessous d'approximativement la moitié des valeurs primitives sans aucune réduction notable de l'efficacité de la propulsion, de sorte qu'on réduit considérablement les effets négatifs des impulsions de vibration et de pression et l'on améliore les propriétés de cavitation. En raison de cet accroissement de la vitesse d'entrée vers hélice que fournit l'application de la présente invention, on peut réduire le diamètre de 11 hélice et donc le poids de celle-ci. On peut également réduire les dimensions et le poids du moyeu de lthdlice; spécialement dans le cas d'hélices à pas variable, ceci représente une réduction de prix considérable. Dans beaucoup de cas cette réduction de coût peut couvrir celui des dispositifs que comprend l'invention. Le tableau suivant donne une nomenclature de données en se rapportant à un exemple calculé en référence à un agencement pour un navire mono-hélice avec une hélice à pas variable, respective- ment sans et avec une stimulation de la couche limite (sol), c'est-à-dire une énergie supplémentaire pour augmenter la vitesse de la couche limite au moyen de l'invention. Les conditions requises préalables pour les calculs compren nuent l'utilisation d'un dispositif à jets comprenant une pompe de type diagonal avec une puissance d'environ 1 450 kW prise sur l'arbre d'hélice. sans 3CL avec SCD sortie d'arbre kW 19 100 19 100 sortie d'hélice kW 18 370 16 900 nitrée de pompe pour kW ,- 1 470 dispositif à jets ours d'hélice tr/mn 130 130 instance (a) ajutage one d'action de l'hélice m ~ 12 instance (b) étambot one d'action de l'hélice m - 2 vitesse de sortie du jet noeuds - 44 vitesse du navire noeuds 22,0 21,9 acteur moyen du - 0,310 0,265 sillage wT diamètre de l'hélice (D) m 6,35 6,15 |D/D optimal - 0,97 0,97 iamètre du moyeu dhélice(d) m 1,94 1,86 rapport du diamètre de moyeu d/D - 0,306 0,)02 rapport de la surface de pale RSP - 0,618 0,603 marge de sécurité contre % 25 - 25 la cavitation à bulles rapport de pas P/3 - 0,886 0,937 rendement de l'hélices % 0,584 0,614 poussée de l'hélice h tonnes 140,2 - 128,0 poussée du jet tonnes - 9,5 poussée totale tonnes 140,2 137,5 poids de l'hélice tonnes 40,6 36,4 variation du sillage circonférentiel au rayon d'hélice 0,8 D/2 % 40 20 La définition du facteur moyen du sillage est la suivante : WT - VS Va VS formule dans laquelle VS est la vitesse du navire et Va est la vitesse axiale de l'écoulement à travers la zone d'action de l'hélice. En tous points V -V W = Vs formule dans laquelle V est la vitesse axiale de l'écoulement à travers la zone d'action de l'hélice au point considéré. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 donne un exemple de la distribution de vitesse axiale d'un écoulement non stimulé dans un plan situé en travers de la direction d'écoulement immédiatement en avant de la zone d'action de l'hélice d'un navire monohélice; la figure 2 donne un exemple du dessin d'écoulement d'un jet d'eau à partir d'un ajutage immergé dans une masse d'eau non perturbée; la figure 3 donne un exemple du dessin de l'écoulement pour un jet d'eau dirigé vers l'arrière à partir d'un ajutage situé dans la couche limite visqueuse située le plus près le long d'une partie d'une coque de navire se déplaçant dans l'eau;; la figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention pour navire monohélice présentant un champ de vitesses selon la figure 1; la figure 5 donne un exemple de la façon dont un dispositif selon la figure 4 peut affecter la distribution de vitesse de l'écoulement représenté sur la figure 1; La figure 6 est un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention pour un navire à deux hélices. La fig. 1 montre la distribution de vitesse axiale de l'écou- lement dans un plan situé iumédiatement en avant de la zone d'action 1 d'une hélice. 'les lignes courbes W sont les lignes de même sillage 2 qui relient les points ayant la même vitesse d'écoulement. La distribution de vitesse représentée est caractéristique d'un navire monohélice selon la fig. 4, lorsque l'écoulement ntest pas modifié par les forces d'hélice et les jets d'un dispositif selon l'invention. Les vitesses d'écoulement sont les plus basses dans les zones les plus proches du plan de symétrie vertical de la zone d'action 1, c'est-à-dire juste derrière l'étambot du navire.Selon l'invention, la vitesse d'écoulement doit être augmentée à l'intérieur de certaines zones du champ de vitesses au moyen de jets d'eau. 'les lignes en pointillé 7, 5 et 7 délimitent ces zones à l'intérieur desquelles la vitesse d'écoulement doit etre augmentée. Les cercles 8 concentriques au contour circulaire de la zone d'action 1 représentent des circonférences que l'on peut rapporter à des parties du rayon de la zone d'action 1. La Fig. 2 donne un exemple du dessin d'écoulement d'un jet d'eau 9 à partir d'un ajutage 1l immergé dans une masse d'eau non perturbée. Be jet d'eau 9 quitte l'ajutage 11 avec une vitesse de sortie UO et un diamètre Do et il est ralenti par l'eau environnante, ce par quoi il impartit une énergie cinétique à l'eau. L'effet du jet 9 se disperse à l'intérieur dtune surface qui augmente avec la distance à l'ajutage 11 dans la direction de l'écoulement.La figure montre en principe la distribution de vitesse de l'écoulement donnée par le jet 9 à travers trois plans disposés transversalement à la direction de l'écoulement et à des distances différentes Xl, X2, et X3 après l'ajutage 11. 'la vitesse au centre de l'écoulement U1, U2 et U3 diminue et le diamètre du jet D1, D2 et D3 augmente avec la distance à partir du jet 11 et dans la direction de l'écoulement. La figure 3 donne un exemple du dessin d'écoulement qui est formé en principe lorsqu'un jet 13 sort d'un ajutage 15 placé sur une surface de coque 17, qui avance à travers l'eau. Cet ajutage 15 évacue son eau dans la couche limite visqueuse au plus près de la surface de la coque 17 et il est dirigé vers l'arrière. La Fig. 4 montre, partiellement en coupe, la partie arrière d'une coque de navire 21 avec un étambot 23 et une hélice 25. Dans la coque 21, un ensemble de pompage 27 est disposé pour être entraîné par un arbre d'hélice 28 portant l'hélice 25. L'ensemble de pompage 27 est conçu pour aspirer de l'eau à partir d'une prise d'eau 29 ménagée dans le bas ou le côté de la coque 21 et la diriger sous pression à travers des tubes 31 jusqu'à des ajutages 33 placés dans le bordage de la coque 21 et dirigés vers l'arrière vers l'hé- lice 25. Chaque tube 31 est muni d'une vanne de réglage 35. I1 y a ensemble six ajutages 33 placés symétriquement des deux côtés de la coque 21.On a représenté un seul c8té sur la figure. 'les ajutages 33 sont, par des moyens connus en eux et non représentés sur la figure, réglables quant à la direction, à la superficie et à la forme des ouvertures de sortie. L'ensemble de pompage 27 est réglable quant au débit. 'les ajutages 33 sont placés à une distance "a" devant la zone d'action de l'hélice 25 et cette zone d'action est située à une plus faible distance "b" derrière l'étambot 23. La somme des deux distances (a + b) est pour chaque ajutage 33 sensiblement également à 1,8 fois le diamètre de l'hélice 25. La whig. 5 montre la distribution de vitesse axiale d'un écoulement dans un plan en travers de la direction d'écoulement immé- diatement devant la zone d'action 1 pour l'agencement d'hélice représenté sur la Fig. 4, sous l'influence de jets d'eau d'un dispositif selon l'invention. La distribution de vitesse de l'écoulement sous l'influence mentionnée est représentée sur la Fiv. 1. Une comparaison entre les distributions de vitesse des écoulements représentés sur les fig. 1 et 5 indique que les lignes de sillage égal 2 sur la fig. 5 suivent mieux les cercles 8 qui sont concentriques à la circonférence de la zone d'action 1.Cela signifie qu'une section de pale d'hélice qui se déplace le long du de ces cercles 8 sur la whig. 5 est exposée à moins de variations de vitesse et à des variations plus faibles que le long du cercle 8 cprrespondant dans la Fig. 1. La Sig. 6 montre partiellement en coupe un côté de la partie arrière d'une coque de navire 21 conçue pour être propulsée au moyen de deux hélices 25 disposées symétriquement des deux côtés du plan latéral de la coque 21 du navire. Chaque hélice 25 est disposée pour être supportée et entrainée par un arbre d'hélice 28 qui tourillonne dans un support d'arbre 37 à l'extérieur de la coque 21. I1 y a pour chaque hélice 25 un ensemble de pompage 27 disposé pour aspirer de l'eau depuis une prise d'eau 29 dans le bas de la coque 21 et pour la diriger sous pression à travers un tube 31 vers un ajutage 33 disposé dans le bordage de la coque dirigé vers l'arrière vers le support d'arbre 37 et la ortie supérieure de la zone d'action de l'hélice 25. Xe tube 31 est muni d'une vanne de réglage 35 et le débit de l'ensemble de pompage 27 est réglable. L'ajutage 33 est placé à une distance a' devant la zone d'action de hélice 25, cette zone étant à une distance b' derrière le bord arrière du support d'arbre 37. La somme des deux distances mentionnées a' et b' est à peu près égale à 2,3 fois le diamètre de l'hélice 25. X X V E D I C T I O . S 1. Dispositif pour réduire les différences de vitesses dans un écoulement travers la zone d'action d'une hélice de navire disposés pour tourner a l'arrière d'un étambot ou d'un support d'arbre avec une première distance entre le bord arrière dudit étambot ou du support d'arbre et la zone d'action comprenant un ensemble de omta- ge pour engendrer des jets d'eau et ou de gaz à travers des anuta- ges qui sont placés à des secondes distances devant la zone d'action et dirigés principalement vers l'arrière, caractérisé en ce que pour au moins un des ajutages (33), la somme desdites distances (a, b) excède le diamètre de la zone d'action (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite somme est comprise entre 1,5 et 3 fois le diamètre de la zone d'action (1). 5 ,DisPositif selon la revendication 1, caractérisé en ce oue au moins un des ajutages (33) est dirigé de façon qu'un jet qui doit être émis à travers lui s'étende sur une partie de la surface de la coque (21) du navire. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins un des ajutages (33) est dirigé de façon qu'un jét qui doit être émis à travers lui s'étende sur une partie de la surface du support d'arbre (37), 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce au moins l'un des ajutages (33) est muni d'un dispositif pour modi- fier la surface de son ouverture de sortie. 6. Dispositif selon la revendication 1 caractrisé en ce que au moins l'un des ajutages (3,) est muni d'un dispositif pour modifier la forme de son ouverture de sortie. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que au moins l'un des ajutages (3 modi- fier la direction de son jet. 8. DiSpositiI selon la revendication 1 caractérisé en ce que le débit de l'ensemble de pompage (27) est réglable. 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de réglage pour régleur le débit de la pompe principalement en fonction de la vitesse du navire.