Brevet FR2376788A1 — publié le 19780804

La présente invention concerne un dispositif de propulsion pour engin nautique, ce dispositif comprenant un élement plat destiné à prendre appui sur l'eau et relié à une pièce d'actionnement pour le faire mouvoir par rapport à l'eau. L'invention concerne également, à titre d'applications, un aviron et une hélice compre- nant un tel dispositif On sait que les principaux obstacles a l'obtention d'un bon rendement hydraulique dans la mise en oeuvre des avirons et des hélices sont le fait de l'apparition de zones tourbillonnaires aux extrémités des pales, sur les bords ainsi que de joues de cavitation sur l'extrados, c'est-à-dire sur la face soumise à une d6- pression.En particulier, dans le cas d'une hélice, la cavitation, outre l'abaissement du rendement, provoque l'usure des pales et est a l'origine d'un bruit de martèlement qui peut, par exemple, s'opposer à une approche silencieuse. Or, la cavitation apparaît d'autant plus facilement que la vitesse périphérique de l'hélice est élevée, c'est-à-dire que son diamètre est grand, et l'on sait que l'amélioration de la poussée et du rendement est liée par ailleurs au diamètre de l'hélice. On a cherché à limiter la cavitation en pratiquant des injections d'air comprimé en circuit ouvert au voisinage du bord d'attaque. Mais ce procédé particulièrement onéreux n'a pas connu de développement intéressant. D'autre part, aucune solution acceptable n'a été apportée au problème des zones tourbillonnaires. La présente invention vise à réaliser un dispositif de propulsion, applicable à un aviron ou à une hélice, qui permette de réduire les zones tourbillonnaires et de supprimer la cavitation. Suivant l'invention, le dispositif de propulsion pour engin nautique comprend une surface active pour prendre appui sur l'eau et cette surface est reliée à une pièce d'actionnement pour le faire mouvoir par rapport à l'eau. Et il est caractérisé en ce que la surface active comprend un noyau rigide enrobé dans une plaque élastique formant revêtement et présentant une face d'appui plate. Les déformations dont la surface active est susceptible lui permettent d'épouser sensiblement la forme des lignes de courant de l'eau et, par conséquent, de réduire les zones tourbillonnaires marginales. Cet effet est encore améliore si la plaque élastique comporte une partie qui s'étend au-delà du noyau pour former un aileron souple. Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, l'épais- seur de la plaque élastique décroît à nartir du noyau vers le bord qui s'étend au-delà du noyau, de manière à procurer un effet d' élasticité différenciée. De préférence, la plaque élastique, sur au moins une partie de son pourtour, comporte un jonc de renforcement noyé, et une armature métallique en fils d'acier également noyée. On améliore ainsi la solidité de l'ensemble, en même temps que l'on évite une trop grande souplesse de la plaque. Suivant une première. application de l'invention a un aviron, des ailettes sont disposées sensiblement normalement a la plaque élastique, de manière à guider les filets d'eau le long de cette plaque et à éviter les décollements. Suivant une seconde application de l'invention a une hélice, le noyau de chaque pale est fixé rigidement a l'arbre de l'hélice et est situé principalement au voisinage du bord d'attaque de la pale, de sorte que le bord de fuite présente la souplesse nces- saire pour épouser la forme des filets d'eau et réduire les zones tourbillonnaires marginales. Suivant une réalisation avantageuse de l'hélice, une partie au moins du revêtement est appliquée librement sur le noyau pour ménager une chambre gonflable par des moyens d'injection d'air comprimé sensibles a la valeur de la dépression sur l'extrados. Lorsque la cavitation est sur le point de se produire, le gonflement de la chambre déforme l'extrados de manière à retarder l'apparition de cette cavitation. Suivant une réalisation particulière de l'hélice, le revêtement présente une interruption le long du bord d'attaque, et l'une des lèvres de cette interruption est insérée dans une fente du noyau au fond de laquelle elle est fixée par l'intermédiaire de ressorts de traction. Le gonflement de la chambre provoque l'extension de ces ressorts, qui tendent eux-mêmes a s'opposer au gonflement. De préférence, le système d'injection d'air comprimé comprend un étage de fuite contrlée qui tend à vider progressivement la chambre gonflée. Suivant une réalisation particulière de l'hélice, l'armature comprend deux réseaux de fils d'acier disposés respectivement au voisinage de l'intrados et au voisinage de l'extrados, et ces deux réseaux sont reliés en sens contraire à un tambour d'enroulement situé dans le noyau et disposé pour opérer, par rotation des tractions de sens contraire sur chacun des réseaux. De preférence, ce tambour présente un profil prédéterminé pour répartir les tractions précitées le long de la pale. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est une vue en plan d'une pelle d'aviron conforme à l'invention; les figures 2, 3 et 4 sont des coupes transversales suivant II-II, III-III, IV-IV de la figure 1; la figure 5 est une coupe longitudinale suivant V-V de la figure 1; la figure 6 est une vue de détail montrant l'insertion d'un fil d'armature sur le noyau; la figure 7 est une vue en plan, semi-schématique, d'une pale d'hélice conforme a l'invention, suivant VII-VII de la figure 8; la figure 8 est une vue en coupe suivant VIII-VIII de la figure 7; la figure 9 est une vue à grande échelle d'une partie de la figure 9; la figure 10 est une vue analogue a la figure 7, mais du noyau seul, la plaque élastique étant supposée enlevée; ; la figure Il est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 10, avec indication de l'armature de la plaque élastique; la figure 12 est une vue à grande échelle du tambour d'enroulement; la figure 13 est un schéma du dispositif de mesure de la dépression sur l'extrados et d'injection d'air comprimé. En référence aux figures 1 a 6, un aviron selon l'invention comprend une surface active ou pelle 1 constituée par une plaque élastique 2 enrobant un noyau rigide 3 conique vers son extrémité la plus fine 4 opposée à un manche 5 formant pièce d'actionnement, et de section sensiblement homothétique a la section de la surface active 1 à son extrémité 6 la plus proche du manche 3, ainsi qu'il est représenté figures 3 et 4. Ce noyau 3 est emmanché dans le manche 5 qui est, à son extrémité côté surface active, muni de cannelures 7. La plaque élastique 2, dont la forme est illustrée par la figure 1, présente une surface d'appui plate. Elle est moulée dans un élastomère présentant de bonnes oronriétés maniques, autour de l'ensemble constitué par le manche 5 et le noyau 3. Elle s'amincit depuis son centre voisin du noyau, vers les bords, ce qui lui confère une rigidité augmentant progressivement à partir du bord vers le centre. Elle est munie d'ailettes 8 parallèles à la direction d'écoulement normal de l'eau durant le mouvement de la.surface active 1. Ces ailettes sont constituées des lamelles sensiblement normales à la plaque 2. Le noyau 4 n'occupe qu'une partie de la longueur de la surface active, son extrémité étant située en 9 dans la figure 1. Le noyau 3 est, selon la figure 6, muni d'encoches 11 dans lesquelles passent des fils d'acier 12 fixés par un débat 13 de résine thermodurcissable. Ces fils rejoignent un jonc de renforcement périphérique noyé 14 sur lequel ils sont fixés par une épi sa sure d'angle et une goutte d'une résine thermodurcissable. Pour plus de clarté, les ailettes 8 et les fils 12 sont repré- sentés par un trait unique sur la figure I, respectivement en trait plein et en trait tireté. Dans l'exemple décrit, la plaque élastique 2 est moulée à chaud dans un élastomère de synthèse, par exemple du polydiène. Le noyau 3 est constitué par une baguette d'acier. Le manche 5 est en bois, le noyau 3 y étant emmanché à force. Les fils 11 et le jonc périphérique 14 sont des fils d'acier de 1 mm de diamètre, à quatre torons. Les ailettes 8 sont en clinquant d'acier de 0,3mm d'épaisseur. Cet aviron souple présente un rendement supérieur a celui de l'aviron rigide classique, car il réduit sensiblement les zones tourbillonnaires en bout de la surface active et sur ses ctés, ceci grâce au mouvement spontané de la pale qui épouse la forme des lignes de courant de l'eau. Les ailettes 8 parallèles a l'écoulement de l'eau durant le mouvement de la surface active 1 réduisent le décollement des filets d'eau et les canalisent dans la bonne direction. Des variantes peuvent être apportées à cet aviron sans sortir du cadre de l'invention : à titre d'exemple, le manche 5 peut être constitué par un tube métallique ou en matière plastique, et la plaque élastique peut être moulée en un autre élastomère, tel que le butyl ou le caoutchouc, chargé ou non. En référence aux figures 7 et suivantes, l'hélice de navire conforme à l'invention comprend un arbre d'hélice 15 sur lequel sont fixées un certain nombre de pales 16, en général trois ou quatre. Chaque pale présente un bord d'attaque 17 et un bord de fuite 18 à cambrure variable, ainsi qu'une face d'intrados concave 19 et une face d'extrados convexe 20. Chaque pale 16 comprend un noyau 21 fixé rigidement à l'arbre 15. Ce noyau 21 est entouré d'un revêtement 23 en élastomère armé formant une plaque élastique dont l'épaisseur décroît du bord d'attaque 17 au bord de fuite 18 et de l'arbre 15 à l'extrémité 22 de la pale, de sorte que l'élasticité de la pale augmente en même temps que cette décroissance d'épaisseur. Comme le reste du noyau, le bord d'attaque 17 est recouvert du revêtement 23 d'élastomère. Ce dernier n'adhère pas au noyau et est muni d'orifices 24 à valves 25 permettant de détecter les zones de cavitation naissante. Un système de régulation décrit ci-après commande une injection d'air comprimé en circuit fermé dans une chambre gonflable 26 comprise entre le noyau 21 et le revêtement 23, non adhérent, injection qui modifie le profil de la pale au niveau du bord d'attaque 17. Le revêtement 23 est fixé, à l'intérieur du noyau 21, à une série de ressorts de rappel 27 eux-mêmes fixés au fond d'une fente 38. Le bord de fuite 18 de la pale est intégralement constitué d'élastomère armé de deux réseaux 28 d'intrados et 29 d'extrados de câbles. Une traction sur le réseau 28 d'intrados assortie d'un relâchement sur le réseau 29 d'extrados permet de modifier la courbure du bord de fuite 18 pour épouser de façon optimale l'écoulement de l'eau. Le revêtement 23 d'élastomère est moule sur le noyau 21 qui ne se prolonge pas dans l'ensemble de la pale, de façon à assurer une souplesse maximale aux extrémités de pale. La partie de la pale démunie de noyau, c'est-à-dire le bord de fuite 18 et l'extrémité 22, est donc entièrement constituée d'élastomère. Le revêtement 23 est armé de câbles reliés entre eux par épissure et soudage par résine thermodurcissable 30 et organisé selon un réseau de deux familles 31 et 32 de câbles orthogonaux, le rôle de ce réseau étant d'augmenter la résistance mécanique de la couche 23 sans nuire à sa souplesse et d'éviter les déchirements. Un jonc péri phérique 33 est incorporé à la périphérie de la couche 23. Pour le bord de fuite 18 à cambrure variable, les deux réseaux 28 et 29 d'intrados et d'extrados sont chacun constitués de deux familles 34-35 et 36-37 orthogonales de câbles, la jonction entre câbles orthogonaux étant rigide afin de permettre la variation de cambrure. Le revêtement 23 d'élastomère pénètre à l'intérieur du noyau 21 par une fente 38 située au voisinage du bord d'attaque, et se termine par fixation sur les ressorts de rappel 27 fixés à un jonc terminal 39 auquel aboutissent les câbles :31-32. Ces ressorts ont des tarages variables le long du jonc 39 de façon que l'on puisse contrôler la déformation de la couche 23 le long de la pale. Le revêtement 23 est muni, sur l'extrados, ainsi qu'il est explique ci-dessus, des orifices 24 équipés de valves 25. Ces orifices sont prévus au débouché de conduits souples 40 noyés dans la masse du revêtement 23 et conduisant à des collecteurs de captage 41. Ces derniers sont répartis le long du bord d'attaque 17 de la pale et conduisent à une cheminée de captage 42. Une semelle 43 en polytêtrafluoréthylène prolonge le revêtement 23 sur l'intrados vers le bord d'attaque 17. Elle favorise le glissement du revêtement 23 dans la fente 38 et joue le rôle de joint d'étanchéité. L'injection d'air comprimé dans la chambre 26 comprise entre le noyau 21 et le revêtement 23 s'opere par une cheminée d'injection 44 qui traverse la pale dans sa longueur et qui distribue l'air comprimé dans des conduits d'injection 45 qui sortent de la cheminée 44 de place en place le long de la pale. Les câbles des réseaux 28 et 29 du bord de fuite 18 sont, a l'une de leurs extrémités, soudés sur le jonc périphérique 33 et, à leur autre extrémité, enroulés respectivement en sens inverse sur un tambour 46 pouvant tourner à l'intérieur de la masse du noyau 21, dans un sens ou dans l'autre. Ce tambour a une longueur presqu'égale à la longueur de la pale d'hélice. Les brins extrêmes des câbles 34 du réseau d'intrados 28 et 36 du réseau d'extrados 29 font plusieurs fois le tour du tambour, ce qui assure un frottement correct entre le tambour et les câbles. Le diamètre du tambour est variable suivant la distance à l'arbre 15, ce qui permet de con trôner la déformation de la cambrure. Au niveau de l'arbre 15, les tambours 46 des diverses pales s'engrènent par des pignons 46a sur une même vis sans fin 47 qui assure leur rotation.La position de l'axe du tambour peut être réglable en translation latérale, à l'arrêt de l'hélice, afin de-modifier la tension des câbles des réseaux 28 et 29 et,partant,de jouer sur la raideur de la pale. Le système de régulation de l'injection d'air comprimé comprend (figure 13) une jauge à pression 48 reliée à la cheminée de captage 42; elle est d'autre part reliée électriquement à un amplificateur à seuil 49 lui-même relié à la commande d'une électrovanne 50. Cette électrovanne comprend une tubulure d'entrée 51 reliée à une source d'air comprimé et une tubulure de sortie reliée à la cheminée d'injection 44. Pneumatiquement en parallèle sur cette électrovanne 50 sont montés d'une part une électrovanne 52 constituant un dispositif de vidage rapide, d'autre part un circuit 53 à débit de fuite contrôlé. La jauge est alimentée en courant électrique par un dispositif d'alimentation 54. Lorsqu'il y a début de cavitation, la dépression est transmise, à partir de la cheminée de captage 42,à la jauge 48 qui attaque, par l'intermédiaire de l'amplificateur à seuil 49, l'électrovanne 50 qui commande l'injection d'air comprimé dans la cheminé d'injection 44 et dans la chambre 26, si le seuil de l'amplificateur 49 est dépassé. Le profil de la pale est ainsi modifié, ce qui tend à empêcher la cavitation. La vanne 50 est à-rappel, c'est-à-dire qu'elle se ferme en l'absence de tension de commande. Le circuit 53 à débit de fuite contrôlé tend à vider, en l'absence d'injection d'air comprimé, la chambre 26 sous l'action de la pression d'eau extérieure et des ressorts de rappel 27. L'électrovanne 52 permet d'effectuer la-même opération en un laps de temps très court. I1 est à remarquer que la détection de la cavitation par les orifices 24 équipés des valves 25 est rendue nécessaire par la présence du revêtement souple 23 qui n'autorise pas la détection sonore habituelle. Dans l'exemple réalisé et décrit, le noyau est en acier, le revêtement est en polydiène armé. Les câbles sont tous en acier. Les deux réseaux sont toronnés, alors que les joncs sont constitués par un filin d'acier non toronné. La jauge de pression est du type à ionisation ou du type à fil chaud. Bien entendu, des variantes sont possibles, en particulier le revêtement peut être constitué en d'autres élastomères artificiels ou naturels, chargés ou non, tels que butyl ou caoutchouc. L'hélice décrite présente des avantages importants - la souplesse propre des zones marginales de ia pale permet à cette dernière d'onduler en épousant la forme des filets d'eau et de retarder la formation de tourbillons marginaux; - la souplesse mécanique du revêtement de la pale lui permet de se déplacer vers les zones de dépression et ainsi de retarder la cavitation sur l'extrados; - si la cavitation vient à se produire, les coups de marteau qu'elle engendre sont amortis par le matériau utilisé; - l'injection d'air comprimé dans la chambre modifie le profil de la pale au niveau du bord d'attaque, produisant ainsi une réduc tion de la cavitation; ; - le dispositif de modification de la cambrure du bord de fuite de la pale permet de modifier la courbure de ce bord de fuite et ainsi de réduire la cavitation et d'adapter l'hélice qu'elle équipe à un changement de régime; - la suppression ou la réduction de la cavitation provoque une réduction sensible du niveau de bruit du propulseur et permet, par exemple, une approche silencieuse. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de propulsion pour engin nautique, comprenant une surface active pour prendre appui sur l'eau, cette surface étant reliée à une pièce d'actionnement pour le faire mouvoir par rapport à l'eau, caractérisé en ce que la surface active comprend un noyau rigide enrobé dans une plaque élastique formant revêtement et présentant une surface d'appui plate. 2.- Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque élastique comporte une partie qui s'étend au-delà du noyau pour former un aileron souple. 3.- Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaque élastique décroît à partir du noyau vers le bord qui s'étend au-delà dudit noyau. 4.- Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que la plaque élastique comporte, sur au moins une partie de son pourtour, un jonc de renforcement noyé. 5.- Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une armature métallique en fils d'acier noyée dans la plaque élastique. 6.- Application d'un dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 5,à un aviron. 7.- Aviron conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes sensiblement normales à la plaque élastique. 8.- Application d'un dispositif conforme à la revendication 5, à une hélice de navire. 9.- Hélice de navire conforme à la revendication 8, comprenant un certain nombre de pales fixées sur un arbre, chaque pale présentant un bord d'attaque et un bord de fuite ainsi qu'une face d'intrados et face d'extrados, le noyau de chaque pale étant fixé rigidement à l'arbre, caractérisée en ce que le noyau est principalement situé au voisinage du bord d'attaque. 10.- Hélice conforme à la revendication 9, caractérisée en ce qu'une partie au moins du revêtement est appliquée librement sur le noyau pour ménager une chambre gonflable par des moyens d'injection d'air comprimé sensible à la valeur de la dépression sur l'extrados. 11.- Hélice conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la dépression sur l'extrados comprennent des orifices munis de valves et reliés par des canalisations à un élément manométrique. 12.- Hélice conforme à la revendication 11, caractérisée en ce que le revêtement présente une interruption le long du bord d'attaque, l'une des lèvres de cette interruption étant insérée dans une fente du noyau au fond de laquelle elle est fixée par l'intermédiaire de ressorts de traction. 13.- Hélice conforme à l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que le système d'injection d'air comprimé comprend un étage de fuite contrôlée. 14.- Hélice conforme à l'une des revendications 9 à 13, caractérisée en ce que l'armature comprend deux réseaux de fils d'acier disposés respectivement au voisinage de l'intrados et au voisinage de l'extrados, ces deux réseaux étant reliés en sens contraire à un tambour d'enroulement situé dans le noyau et disposé pour opérer, par rotation, des tractions de sens contraire sur chacun des réseaux. 15.- Hélice conforme à la revendication 14, caractérisée en ce que le tambour présente un profil prédéterminé pour répartir les tractions précitées le long de la pale.