Brevet FR2337661A1 — publié le 19770805

La présente invention concerne les hélices pour la marine et elle vise plus particulièrement la réduction des tourbillons en bout de pale. On a développé un grand nombre de théories pour expliquer les principes de fonctionnement des hélices, mais la théorie des tour billons, ou théorie des vortex est la plus connue et c'est actuel lement la plus utilisée comme base de travail par la plupart des constructeurs. Toutefois, les meilleures hélices, conçues selon la théorie des tourbillons sont confrontées au problème des tourbillons en bout de pale qui réduisent la poussée de l'hélice et donc son ef ficacité et peuvent provoquer des effets sérieux de vibration et de cavitation. Ces défauts et inconvénients font que les construc teurs adoptent une répartition radiale de pas effectif qui n'est pas la meilleure, ce qui réduit l'efficacité de propulsion. Pour éviter les tourbillons en bout de pale dans une hélice de type classique fonctionnant dans un fluide idéal, il faudrait un diamètre d'hélice infini, pour lequel le pas de l'hélice serait presque nul. Il est bien évident qu'une telle solution n'est pas réalisable. Pour réduire les tourbillons en bout de pale, on a suggéré de faire fonctionner l'hélice dans un conduit de révolution coaxial en forte de buse mais cette solution présente de nombreux obstacles - et inconvénients, non seulement parce qu'il est très onéreux de fixer de tels conduits à la coque d'un bateau, mais aussi parce que la traînée du bateau en est augmentée, et que des phénomènes de cavitation se produisent dans le conduit lui-même. L'invention -a pour but une hélice de bateau de conception tel le que les tourbillons en bout de pale sont réduits à une valeur acceptable, sans réduction du pas de l'hélice, de la cambrure des sections de bout de pale ou de ces deux paramètres simultanément, et sans qu'on s'éloigne de la répartition radiale optimale du pas effectif des pales, ce qui préserve une efficacité de propulsion totale. L'invention consiste à incorporer une ou plusieurs plaques formant barrière ou ailettes de forme et de dimensionsappropriées à une pale d'hélice de type standard, de telles ailettes étant disposées transversalement sur la surface des pales, soit dans la section circonferentielle des bouts de pale pour éviter les tourbillons de bout de pale, ou dans toute autre section circonférentielle, pour empêcher l'écoulement radial du liquide par rapport à la pale. Dans la suite de la présente description, on utilisera le terme de "ailette" pour désigner les plaques ou organes disposées sur les pales, suivant l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation de l'invention. La Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un profil hydrodynamique de longueur infinie en présence d'un courant de fluide de vitesse uniforme. La Fig.2 est une vue schématique en coupe d'un profil hydrodynamique de longueur infinie et d'épaisseur infinitésimale. La Fig.3 est une représentation schématique du champ de tourbillon dans un fluide idéal, dans le cas d'un profil hydrodynamique de longueur finie, conformément à la théorie d'Helmholz. La Fig.4 est une représentation schématique de la répartition de la circulation de fluide sur un profil hydrodynamique de longueur finie. Les Figs.SA et 5B sont respectivement des vues schématiques en coupe transversale et longitudinale d'une hélice ayant une section circonférentielle intermédiaire équivalente à première approximation à un profil hydrodynamique de longueur infinie, la Fig.SC étant une coupe horizontale schématique de la pale avec le diagramme de vitesses correspondant. Les Figs.6A et 6B sont respectivement des vues en coupe transversale et longitudinale d'une hélice, représentant l'ailette formant barrière suivant l'invention incorporée à une pale d'hé- lice. Les Figs.7A à 7J sont des vues schématiques en coupe longitudinale de plusieurs mode de réalisation préférés de l'invention, suivant des coupes longitudinales des intersections de l'hélice ou de la pale d'hélice avec les ailettes de l'invention, lesdites ailettes étant agencées de façon que leur face intérieure soit tangente au cylindre engendré par le contour de l'hélice avec des génératrices parallèles à l'arbre de l'hélice. La Fig.8 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une hélice illustrant la possibilité d'adjonction de plusieurs ailettes suivant l'invention à une pale d'hélice. Les Figs.9A et 9B sont respectivement des vues schématiques des contours de surface des ailettes formant barrière développés sur des plans tangentiels aux cylindres engendrés par les contours de l'hélice avec les génératrices parallèles à l'aube de l'hélice. Les Figs,lOA et lOB sont respectivement des vues en coupe transversale et longitudinale d'une hélice suivant l'invention, tandis que les Figs.lOC et lOD sont des vues en coupe longitudinale analogues d'autres mode de réalisation de l'invention. On va maintenant décrire brièvement la théorie support de l'invention, en se référant notamment aux figures 1 à 5. Lorsqu'un profil hydrodynamique de longueur infinie 1, tel que représenté sur la Fig.l, est en présence d'un écoulement de fluide 2 de vitesse uniforme "V", une circulation de fluide 3 se crée autour du profil. Dans cette circulation 3, le fluide développe une gus grande vitesse 4, égale à "V + V", sur le dos ou extrados 5 du profil ainsi que sur sa face active 6. La vitesse (égale à "V-V") sur la face active 6 est inférieure et, de ce fait, les forces de pression qui s'exercent sur les faces 5 et 6 ne sont pas équilibrées. Une force résultante, ayant deux composantes 7 et 8 (parallèle et perpendiculaire respectivement à la direction uniforme d'écoulement) apparatt.La première de ces forces ,7,(traî- née) tend à déplacer le profil dans le sens d'écoulement 2 (force de déplacement), et la deuxième force, 8, (portance) tend à déplacer le profil perpendiculairement à la direction d'Ccoulement 2. Le raisonnement théorique amène à la conclusion que la portance en chaque point est proportionnelle à la densité du fluide, à la vitesse du fluide à la circulation du fluide en ce point et à la surface différentielle sur laquelle elle s'excerce. Lorsque le profil hydrodynamique 1' a une épaisseur infinitésimale, comme représenté sur la Fig.2, la répartition de la vitesse créée peut être considérée, d'un point de vue intuitif, comme le résultat de la superposition d'un nombre infini de mouvements tourbillonnaires 4" ayant tous la même intensité. En général, le nombre des tourbillons par unité linéaire 9 n'est pas uniforme le long de la ligne d'épaisseur moyenne du profil hydrodynamique. Lorsque le profil hydrodynamique 1 est de longueur infinie, la circulation à chaque point d'abscisse mesurée à partir du bord d'attaque du profil est la même dans toutes les sections transversales, mais il n'en va pas de meme lorsque le profil a une longueur finie puisque quelques mouvements tourbillonnaires dont les axes sont plus ou moins perpendiculaires à ceux cités plus haut se produisent sur les côtés du profil, par le fait que le fluide tend à s'écouler de la face haute pression 6 à la face basse pression 5. Suivant Helmholtz, dans un fluide idéal, lln tourbillon ne peut pas disparaitre. C'est la raison pour laquelle l'axe des tourbillons de section extrême, dans le cas d'un profil hydrodynamique, doit s'étendre à l'infini. La Fig. 3 représente les tourbillons d'attaque 10 et les tourbillons de bout de pale 11 selon la théorie d'Helmholtz. La présence de ces tourbillons réduit la circulation totale sur le profil et réduit donc d'autant sa force de portance. Le mode suivant lequel la circulation sur un profil de longueur finie est répartie est sensiblement indiqué à la fig. 4. Dans ce cas, les circulations 10-', 10", 10"' correspondent à la circulation 10 de la figure 3 et les circulations ll' correspondent à la circulation de la figure 3. Suivant une première appro ximation de la Théorie des Tourbillons, on suppose que le fonctionnement d'une section circonférentielle d'hélice (de rayon "r" indiqué par la référence 12 sur la figure 5A, avec un bossage ou moyeu d'hélice 13 et une pale 14, une fois développée) est analogue à celui obtenu avec un profil hydrodynamique de longueur infinie 15 (figure 5C), dans un champ de vitesse unforme, dont On définit la direction et la grandeur en additionnant la vitesse axiale 16 de l'hélice et la vitesse tangentielle 17 de la section de l'hélice au rayon "r" ou point 12.Comme chaque section radiale 12 aune largeur "dr", cette affirmation n'est pas exacte et l'introduction de certains calculs et coefficients de direction est indispensable. Les théories les plus sophistiquées considérent la portance comme provenant d'une répartition bidimentionnelle des tourbillons radiaux et tangentiels, et la présence de tourbillons tangentiels comme étant due à l'existance de tourbillons en bout de pale. On tient compte de l'effet de l'épaisseur de la pale dans les calculs en superposant à chaque section circonférentielle un champ de vitesse provoqué par la répartition de bâches et de sources. On peut déduire de la figure 4 que l'existence de tourbillons enbout de pale ll' réduit la poussée et donc l'efficacité de l'hélice.Pour éviter la présence de tels tourbillons dans une hélice classique fonctionnant dans un fluide idéal sans réduire le pas effectif de ses sections d'extrémité, il faudrait utiliser un diamétre infini pour lequel le pas serait presque nul. I1 est évident que cette solution n'est pas réalisable lorsqu'une hélice fonctionne dans un flux visqueux. Pour réduire les tourbillons de bout de pale sans réduire le pas effectif, on peut faire fonctionner l'hélice dans un condùit de révolution coaxial en forme de buse. Le contour intérieur longitudinal du conduit peut être convergent, divergent, parallèle ou mixte par rapport au flux d'entrée. Toutefois, la fixation de tels conduits à la coque d'un bateau est nnéreuse. En outre, la trainée du bateau en est augmentée et le conduit lui-même présente des défauts de cavitation. La présente invention consiste dans l'adjonction à chaque pale d'une hélice classique d'une ailette formant barrière pour s'opposer aux tourbillons en bout de pale représentés en 11 et 11' sur les figures 3 et 4. Divers modes de réalisations de l'invention sont représentés aux figures 6 à 10. La figure 6 illustre l'incorporation à une hélice classique comprenant un moyeu 13 et une pale 14, d'une plaque ou ailette 18 formant barrière, disposée sur une surface cylindrique coaxiale à l'hélice proprement dite afin d'éviter la formation de tourbillons de bout de pale i c'est-à-dire pour s'opposer aux tourbillons, tels que les tourbillons 11 et ll' des figures 3 et 4. La géométrie de l'ailette 18 et du reste de l'hélice doit être calculée expérimentalement, compte tenu de ses perfomances de propulsion et de cavitation ; toutefois, ses performances peuvent être déduites de calculs classiques. L'emploi d'ailettes 18 sur les pales d'hélice provoque quelques pertes par frottement qui sont largement compensées par l'augmentation de rendement de l'hélice lorsque son pas effectif peut être réparti de manière à augmenter radialement de façon progressive. On peut réduire ces pertes à une valeur minimale en minimisant la surface développée des ailettes 18. Toute hélice munie d'ailettes 18 a une réduction du pas de façon à éviter les changements du montage de révolution. Toutefois, l'ailette 18 peut également être conçue de façon à présenter un profil de section hydronynamique capable de fournir une poussée additionnelle, son bord d'attaque ayant alors une forme analogue à celle du bord d'attaque de la pale. En d'autres termes, les ailettes 18, incorporées aux pales d'hélice doivent avoir un contour approprié au champ de vitesses dans lequel l'hélice fonctionne, qui dépend naturellement du profil de l'arrière du bateau auquel l'hélice est fixée. L'incorporation d'ailettes 18 est souhaitable lorsque les avantages provenant de la poussée accrue fournie par l'hélice du fait de l'absence de tourbillons en bout de pale compensent la résistance superficielle produite dans la pale pour l'adjonction des ailettes. D'autre part, l'incorporation d'ailettes peut être souhaitable lorsqu'elles réussissent à améliorer la cavitation qui se produit sur l'hélice et sa répercussion sur la fluctuation de pression qui agit sur le dessous de la poupe. Les ailettes 18 peuvent être fixées aux pales 14 par soudage ou par tout autre procédé approprié, ou elles peuvent être moulées en même temps que le reste de l'hélice par tout procédé et dans tout matériau approprié. Les figures 7A à 7J représentent différentes configurations des ailettes 18 par rapport aux pales 14 auxquelles elles sont fixées. Chaque figure montre la configuration obtenue à l'intersection de l'ailette et d'une pale dans un plan contenant l'axe de l'arbre de hélice. Ces configurations sont des exemples non limitatifs de modes de réalisations préférés des ailettes suivant l'invention. Dans chaque cas, l'ailette, comme l'ailette 18 de la figure 6A est constituée par une surface cylindrique coaxiale à l'arbre de l'hélice. I1 ressort de la figure 8 qui représente un autre mode de réalisation de l'invention, que dans n'importe quelle autre section circonférentielle de l'hélice, correspondant à un rayon "r" quelconque, on peut incorporer un ou plusieurs éléments ou ailettes 19 à la pale 14 , de configuration identigue à, ou différente de, celle de l'ailette 18 montée à la pointe de la pale. De façon analogue, les ailettes 19 peuvent être disposes sur un seul des deux côtés de la pale 14, dans le but de canaliser le fluide qui s'écoule sur la pale. A cet effet, la figure 8 représente une pale comportant deux ailettes intermédia ires 19 et une ailette de bout de pale 18, toutes montées des deux côtés de la pale.Les considérations énumérées plus haut au sujet des ailettes 18 s'appliquent également aux ailettes 19. Les figures 9A et 9B sont respectivement des vues schématiques des contours des ailettes développées selon un plan tangentiel aux cylindres engendrés par les contours de l'hélice, avec des génératrices parallèles à l'arbre de l'hélice. La référence 21 correspond à l'arbre de l'hélice et la référence 22 au développement du contour de la pale. Le contour 20 de l'ailette peut avoir n importe quelle forme générique compatible avec le but recherché, à condition qu'elle s'accorde aux impératifs de propulsion et de cavitation. I1 en est de même pour les ailettes 19. La figure 9B est une vue analogue d'un autre mode de réalisation dans lequel l'ailette présente un développement 20' plus court et plus étroit par rapport à une pale de contour ovale 22' sensiblement plus épais que dans le cas de la figure 9A. Les figures lOA et lOB représentent des ailettes 18 appliquées aux quatre pales d'une hélice à quatre pales. Les figures lOC et lOD représentent des variantes de l'invention. I1 est évident que les ailettes suivant l'invention ne limitent en aucune manière le nombre des pales d'hélice, leur agencement ou leur géométrie, l'utilité de l-'invention ne dépend que de l'adaptation de l'ensemble aux conditions du fluide. Les ailettes selon l'invention apportent les avantages suivants pales hélices munies de telles ailettes ont un meilleur rendement que les hélices classiques dont on réduit le pas dans leurs sections circonférentielles de bout de pale en raison de la cavitation, -on peut fabriquer des hélices de plus petit diamètre que les hélices classiques sans diminution des performances de propulsion. L'invention permet d'éliminer dans un bateau à poupe en surplomb , les fluctuations de pression qui proviennent de la cavitation développée dans l'hélice puisque la formation de tourbillons entre la zone de cavitation et la coque du bateau est supprimée, ce qui réduit le degré de vibration du bateau. L'emploi d'ailettes suivant l'invention rend inutile de décharger lespales d'hélice, ce qui permet de réduire le rapport de surface accrue (cf. "IIydrodynamics in Ship Design", par H. Sanders, Volume 1, page 453, publié par The Society of Naval Architects and Marine Engineers). Comme la présence de tourbillons en bout de pale est évitée par l'emploi des ailettes suivant l'invention, les calculs pour la conception de l'hélice peuvent être simplifiés, ce qui améliore la corrélation entre lesprévisions et les performances réelles de l'hélice. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. REVEND ICAT IONS 1.- Hélice de bateau qui comprend un moyeu tournant et une ou plusieurs pales s'étendant radialement à partir du moyeu caractérisée en ce qu'au moins une plaque ou ailette est fixée à l'une au moins des pales et s'étend transversalement par rapport à ladite pale, ladite ailette ayant une génératrice concentrique à l'axe du moyeu, afin de réduire ou d'éviter les tourbillons de bout de pale et d'améliorer l'efficacité et le rendement de l'hélice. 2.- Hélice suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'ailette est profilée et présente une face active à l'écoulement du fluide pour augmenter la poussée de l'hélice. 3.- Hélice suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ailette est montée sur une section circonférentielle du bout de pale. 4.- Hélice suivant l'une des revendications I à 3, caractérisée en ce que l'ailette est montée sur une section circonférentielle de la pale, intérieurement par rapport au bout de la pale. 5.- Hélice suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'ailette dépasse d'un seul cté de la pale. 6.- Hélice suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'ailette dépasse des deux côtés de la pale. 7.- Hélice suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins une ailette est montée sur chacune des pales d'une hélice multi-pales. 8.- Hélice suivant la revendication 7, caractérisée en ce les ailettes sont montées sur des sections circonférentielles des bouts de pale. 9.- Hélice suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les ailettes sont montées sur des sections circonférentielles de pales, intérieurement par rapport au bout des pales. 10.- Hélice suivant la revendication 7, caractérisée en ce que plusieurs ailettes sont montées sur chacune des pales d'une hélice multi-pales