Brevet FR2403478A1 — publié le 19790413

Le secteur technique de l présente inyent;t9n est celui des profils hydrodynamiques porteurs sQumRs) a un écoulement fluide inconpreEsible, L'in vention concerne un procédé et un dispositif pour retarder et/ou réduire les effets du phénomène de cavitation autour de ces profils. Le phénomène de cavitation prend naissance dans un fluide incompréssible (l'eau dans le cas des applications préférées de l'invention) lorsque l'écou- lement présente des survitesses telles que le fluide se vaporise, ce qui se produit lorsque la pression résultant des survitesses est de tordre de la pression de vapeur saturante. Ce phénomène, couramment rencontré en hydrodynamique navale lorsque la. vitesse du navire est élevée est particulèrement gênant lorsqu'il s'applique à des surfaces portantes telles que ensemble porteur d'hydroptère ou pale d'hélice marine. Il se traduit par des effets extrêmement néfastes : chute de portance par rapport au fonctionnement hors cavitation, destruction des élé- ments par érosion, bruit important. Le développement des navires rapides a conduit à l'élaboration de techniques permettant pour les profils porteurs, soit de retarder la cavitation, soit d'en amoindrir les effets. La présente invention s'attache surtout - retarder la cavitation autour de profils-porteurs (éléments d'ensembles porteurs ou sections de pale d'une hélice). Pour amoindrir les effets de la cavitation sur des surfaces portantes, on a été amené à étudier des profils totalement différents de ceux utilisés pour des gammes de vitesse et de charge alaire où la cavitation ne peut être gênante. Un profil classique présente, comme oei le sait, un rayon de bord d'attaque important et un bord de fuite réduit à une arête. Au contraire, les profils dits "supercavitants" ont une forme très diffé- rente de celle des profils classiques -: rayon de bord d'attaque a beaucoup plus faible, bord de fuite-b épais, épaisseur maximale rejetée vers l'arrière du profil. Ces profils travaillent, dans le domaine de vitesse pour lequel ils sont conçus , avec une poche de cavitation c recouvrant tout ltextrados d suivant le schéma représente figurera, où V# représente la vitesse d'avance dans le fluide au repos. La valeur de la pression régnant dans la poche de cavitation est voisine de la pression de vapeur saturante P du fluide, cette v dernière étant très inférieure à celle du fluide autour du profil.Ces profils sont à ltheure actuelle couramment utilisés, notamment pour les "hélices supercavitantes T équipant des navires pouvant atteindre des vitesses supérieures à 55 noeuds. Leurs inconvénients sontun rendement moyen (de l'ordre de 60 % pour une hélice), et un niveau de bruit relativement élevé. Un autre procédé connu consiste à insuffler ou aspirer un gaz dans les zones critiques au point de vue cavitation, généralement au voisinage du bord d'attaque ; il permet, au prix d'une technologie très délicate, de diminuer un peu les effets de la cavitation (cf brevets français 70 16 581 et 71 46 635) mais n' améliore pas de façon sensible les performances des profils subcavi tante Une troisième technique connue consiste à utiliser des profils "à base ventilée" : le fait d'insuffler un gaz (air en général) à la base des surfaces portantes conduit à la- formation d'une poche de ventilation et permet de retarder de façon notable l'apparition de la cavitation. De tels profils ressemblent aux profils "supercavitants", comme schématisés sur la figure lb. Ces profils ont une épaisseur maximale rejetée sur l'arrière et un bord de fuite épais. Le gaz insufflé dans la poche de ventilation présente une pression Pc supérieure à celle régnant dans la poche de cavitation créée par un profil supercavitant. Si l'on compare le fonctionnement d'un tel profil en "supercavitant" et en "ventile à la base" on constate que dans le premier cas la portance (toutes choses égales par ailleurs) est plus importante (la pression Pc ne pouvant etre inférieure à Pv) mais la traînée est églament plus élevée. Ces deux effets se traduisent globalement par une finesse du profil (rapport por tance/traînée) plus faible que dans le cas d'une ventilation à la base ce qui, bien évidemment, est un résultat défavorable. Les profils "ventilés à la base" présentent un niveau de bruit plus faible et une meilleure finesse. Par contre, ils ne permettent pas d'atteindre les vitesses- élevées qui sont du domaine supercavitant. Dans le cas de l'application à une hélice marine leur domaine optimal drutilisation semble être de 35 à 60 noeuds alors que la limite supérieure d'utilisation d'une hélice supercavitante semble pouvoir etre située au-delà (supérieure à 100 noeuds).Ainsi ces profils sont intéressants dans la mesure où ils comblent pour les hélices marines (avec un rendement satisfaisant) le fossé existant entre les hélices subcavitantes et les hélices supercavitantes.Il est par ailleurs possible, pour certaines conditions d'incidence de l'écoulement et pour certaines valeurs du débit d'air, de fonctionner en régime "superventilé" : la poche de ventilation recouvrant alors tout l'extrados (tout comme en "supercavitant" mais la poche gazeuse est alors constitué par du gaz à la pression Pc et non de la vapeur d'eau à la pression Pv). A ce régime le rendement est alors voisin de celui que l'on aurait en régime supercavitant mais le niveau de bruit devrait être plus faible. Cette "superventilation" permet d'élargir le domaine des vitesses de fonctionnement vers des vitesses plus élevées. Il existe déjà des hélices dont le fonction nement normal est un régime "superventilE" mais il- n'existe pas d'hélices pouvant fonctionner soit avec "ventilation à la base" soit en "superventilation". La conception de- tels profils ventilés à la base et leur utilisation pour résoudre des problèmes à caractère naval sont connues. On peut citer des réali sations 'de -surfaces portantes et une rEalisation d'hélice (article de HOYT "Ventilated propellers" présenté en 1962 au 4th Symposium on Naval Hydrodynamics").Dans toùs ces cas, la réalisation correspond à la même technologie délicate : on crée une poche de ventilation accorchée au bord de fuite de la surface en amenant l'air par des canalisations internes à cette surface et débouchant au bord de fuite sous forme de trous. On sait que la forme des profils est telle qu'il existe, au bord de fuite, à l'intrados et à l'extrados, des survitesses : il tend'donc à s'établir le long du bord de fuite une zone dépressionnaire et de l'air, injecté à proximité immédiate de cette zone, aura tendance a s'y installer. La présente invention pallie les inconvénients mentionnés plus haut et a pour objet un procédé pour retarder et/ ow réduire les effets de la cavitation autour d'une surface portante hydrodynamique, tronquée à l'arrière, présentant, en régime de fonctionnement dans un écoulement fluide incompressible, une zone dépressionnaire le long de son bord de fuite, procédé caractérisé en ce qu'on injecte un gaz à proximité de ladite zone,à pression au moins égale à celle régnant dans ladite zone,par par des moyens d'amenée de gaz extérieurs à ladite surface hydrodynamique. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessous, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison avec ladite surface, des moyens extérieurs à ladite surface pour injecter un gaz proximité de la zone dépressionnaire. Selon une autre caractéristique de la présente invention, ladite surface est une pale d'hélice solidaire, par l'intermédiaire d'un moyen, d'un arbre-moteur. Ladite hélice présente de préférence un pas relatif élevé (supérieur à 1). Selon une réalisation préférée de l'invention, le dispositif tel que décrit plus haut se caractérise en ce que lesdits moyens pour injecter un gaz à proximité de la zone dépressionnaire régnant le long de bord de fuite de ladite pale sont constitués par au moins un premier canal pratiqué longitudinalement à travers le moyeu solidaire de l'arbre porte-hélice, ledit premier canal débouchant à proximité du bord de fuite de ladite pale et étant relié (par l'intermédiaire d'au moins un deuxième canal traversant le moyeu de raccordement) à une source de gaz. Selon une autre réalisation de l'inventíonss lesdits moyens pour injecter un gaz à proximité de la zone dépressionnaire régnant le long du bord de fuite de ladite pale peuvent être constitués par un arbre porte-hélice présentant une extrémité arrière creuse débouchant à proximité du bord de fuite de ladite pale et une paroi percée par au moins une lumière mettant en communication avec une source de gaz. Selon une caractéristique de l'invention la partie arrière du moyeu présente une section d'emplanture des pales sur le moyeu telle que le bord de fuite de ladite pale soit situé dans un plan tangent à la surface du moyeu. L'invention a aussi pour objet un dispositif tel que décrit plus haut, caractérisé de plus en ce que ladite surface est un ensemble porteur d'hydroptère et en ce que lesdits moyens pour injecter un gaz sous pression à proximité de la zone dépressionnaire régnant le long du bord de fuite dudit ensemble porteur débouchent à proximité du bord de fuite de celui-ci. Enfin l'invention a pour objet un dispositif tel que décrit plus haut caractérisé de plus en ce que ladite surface est un safran stabilisateur de navire et en ce que lesdits moyens pour injecter un gaz sous pression à proximité de la zone dépressionnaire régnant le long du bord de fuite dudit safran stabilisateur sont constitués par au moins un conduit extérieur audit safran, débouchant à proximité du bord de fuite de celui-ci. Les avantages du procédé et du dispositif selon l'invention apparaissent clairement : il n7est pas nécessaire de modifier les surfaces portantes pour quelles contiennent les canalisations nécessaires à l'amenée d'air ; il suffit de l'amener à proximité immédiate du bord de fuite de la surface portante. Il en résulte . au niveau de la surface portante même, un usinage plus aisé et une meilleure résistance du matériau et, au niveau du fonctionnement, des pertes de charge du circuit d'alimentation en gaz diminuées et la possibilité d'obtenir des débits plus importants et plus facilement -réglables, le debit d'air injecté influant de façon notable sur la portance et la trainee. D'autres avantages ressortiront de la description ci-après de modes de réalisations préférées de l'invention, sans caractère limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel - les figures la et lb montrent schématiquement, ainsi qu'il a été exposé dans la description de l'état antérieur de la technique relative à l'invention, des profils supercavitants et à base ventilée - la figure 2 est une coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'une hélice ventilée selon l'invention ; - la figure 3 est une vue arrière de l'hélice représentée à la figure 2 - la figure 4 est une vue de profil de cette même hélice ; - la figure 5 est une coupe longitudinale d'un deuxième mode de réalisation d'une hélice ventilée selon l'invention ; - la figure 6 est une vue en perspective d'une hélice à pales orientables, l'injection de gaz se faisant comme schématisée figure 5 ;; - et la figure 7 représente schématiquement en perspective un mode de réalisation d'une surface portante d'hydroptère selon l'invention. En référence à la figure 2, on voit une hélice à base ventilée munie d'un dispositif selon l'invention, équipant par exemple le système de propulsion d'un hydroptère. De l'air sous pression est amené au voisinage du bord de fuite 3 de la pale 1, dont le bord d'attaque est 2. La pale 1 est l'une des pales d'une hélice fixée sur un moyeu tronqué 4 immobilisé sur un arbre portehélice 6 par un clavetage 5. L'air débité par la source schématisée en 7a s'écoule dans les canaux 7 et 8. Le canal 7 est pratiqué dans une jambe verticale 7b reliant la nacelle 8a, laquelle contient des organes de transmission, au bâtiment lui-même. Le canal 8 est pratiqué à travers l'arrière corps de la nacelle dans le moyeu de raccordement Sa. Un joint 10 assure l'étanchéité d'une chambre de transfert 10a et l'air s'écoule dans les canaux 9 traversant le moyeu tronqué 4 et débouchant à proximité du bord de fuite 3 des pales (dont l'épaisseur relative évolue d'environ 5 % en extrémité de pale à environ 20 Z à l'emplanture). Dans l'exem- ple de réalisation illustrée sur les figures 2 et 3, on voit que les canaux 9 sont au nombre de quatre et que leurs extrémités sont disposées symétriquement à l'arrière du moyeu. Les figures 5 et 6 montrent un autre mode de réalisation de dispositif selon l'invention appliqué au système de propulsion d'un hydroptère. L'arbre porte-hélice 6 est creux à son extrémité arrière 11 et solidaire du moyeu 4 sur lequel sont fixées les pales 1. L'air débité par la source 7a à travers les canaux 12 et 13, pratiqués respectivement dans la jambe verticale 7b et dans le corps de la nacelle porte-hélice pénètre dans une chambre annulaire 14 qui entoure l'arbre 6. Des lumières 15 réalisées sur l'arbre 6 permettent à l'air de s'écouler dans la partie creuse 11 de l'arbre pour déboucher à l'arrière du moyeu 4. L'étanchéité entre la chambre annulaire 14 et l'arbre 6 est assurée par des joints 16. La pièce 17 assure la fixation de l'hélice sur l'arbre portehélice. ta figure 6 montre en perspective une hélice à base ventilée à pales orientables (l'alimentation en gaz étant réalisée suivant le schéma de la fi gure 5). La forme de la partie arrière du moyeu est a traduction du fait expérimental suivant : si le bord de fuite de la section d'emplanture des pales sur le moyeu est situé dans le plan tangent à la surface du moyeu (à sa périphérie) des débits d'air plus importants que dans le cas contraire sont possibles en fonctionnement normal (et donc un meilleur rendement l'est également). La forme du moyeu représentée sur la figure 6 permet d'assurer le respect de cette condition et de favoriser la remontée de l'air injecté par le moyeu vers le bord de fuite des pales. Le dessin montre qu'on s'est attaché à respecter cette condition pour des variations assez limitées du calage des pales. Ce niest pas très restrictif car, ainsi qu on l'a déjà précisé, des hélices de ce type ont par nature un pas relatif élevé. La figure 7 montre que la ventilation du bord de fuite 18 d'un ensemble porteur 19 d'hydroptère se fait sans difficulté suivant le principe de l'invention. Le gaz, par exemple de l'air, est injecté à proximité des bords de fuite à l'aide de moyens extérieurs à l'ensemble porteur, constitués par exemple par un conduit 20 relié à une source de gaz non représentée et débouchant près des bords de fuite 18 par deux orifices 21. L'invention s'applique également à un safran stabilisateur de navire. Des hélices correspondant aux principes décrits ci-dessus ont été réalisées et essayées en bassin et en tunnel de cavitation. On a pu sans diffi culté assurer des débits d'air suffisamment importants et, quelles que soient la vitesse de rotation et la vitesse d'avance, la poche d'air est stable, reste bien accrochée au bord de fuite et s'établit facilement. Les performances obtenues au point de vue vitesse et rendement, conformes à celles déjà exposées plus haut, peuvent se résumer en une amélioration d'au moins 5 % (en valeur absolue) de rendement par rapport à une hélice supercavitante dans les mêmes conditions de vitesse et en une augmentation d'au moins 10 noeuds de la vitesse par rapport à celle obtenue avec une hélice subcavitante dans les mêmes conditions de rendement (environ 40 noeuds). REVENDICATIONS 1 - Procédé pour retarder et/ou réduire les effets de la cavitation autour d'une surface portante hydrodynamique tronquée à l'arrière présentant, en régime de fonctionnement dans un écoulement fluide incompressible une zone dépressionnaire le long de son bord de fuite, caractérisé en ce qu'on injecte un gaz à proximité de ladite zone1 à une pression au moins égale à celle régnant dans ladite zone dEpressionnaire,par des des moyens d'amenée de gaz extérieurs à ladite surface portante hydrodynamique. 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I pour retarder et/ou réduire les effets de la cavitation autour d'une surface hydrodynamique portante tronquée à l'arrière présentant en régime de fonctionnement dans un écoulement fluide incompressible, une zone dépressionnaire le long de son bord de fuite, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaiscn avec ladite surface portante, des moyens extérieurs à ladite surface portante pour injecter un gaz à proximité de ladite zone,à une pression au moins égale à celle regnant dans ladite zone. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface est une pale d'hélice reliée, par l'intermédiaire d'un moyeu, à un arbre portehélice provenant d'un groupe moteur. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite hélice présente un pas relatif élevé (de l'ordre de 1 à 2). 5 - Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour injecter un gaz à proximité de la zone dépressionnaire régnant le long du bord de fuite de ladite pale sont constitués par au moins un premier canal pratiqué longitudinalement à travers le moyeu solidaire de l'arbre porte-hélice, ledit premier canal débouchant à proximité du bord de fuite de ladite pale et étant relié par l'intermédiaire d'au moins un deuxième canal traversant l'arbre porte-hélice, à une source de gaz. 6 - Dispositif selon ltune des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour injecter un gaz à proximité de la zone dépressionnaire régnant le long du bord de fuite de ladite pale sont constitués par un arbre porte-hélice présentant une extrémité arrière creuse débouchant à proximité du bord de fuite de ladite pale et une paroi percée par au moins une lumière permettant la communication avec la source de gaz. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la partie arrière du moyeu présente une section d'emplanture des pales sur le moyeu telle que le bord de fuite soit situé dans un plan tangent à la surface du moyeu. 8 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface portante est un ensemble porteur et en ce que lesdits Moyens pour injecter un gaz à proximité de lX zone dépressionnaire régnant le long du bord de fuite dudit-ensemble porteur sont constitués par au moins un conduit extérieur audit ensemble porteur débouchant à proximité du bord de fuite de celui-ci. 9 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface est un safran stabilisateur de navire.