Brevet FR2468499A1 — publié le 19810508

SYSTEIME PROPUISIF POUR UN NAVIRE A RELICE. ET NAVIRE AINSI EQUIPE La présente invention concerne un système propulsif pour un navire à hélice. L'invention concerne également le navire équipé d'un tel système propulsif ainsi qu'un procédé pour améliorer le rendement propulsif d'un navire à hélice. L'invention s'applique à des systèmes propulsifs comportant des hélices à pales fixes ou à pales orientables (hélices à pas variable). Dans le cas d'une hélice à pas variable, les définitions géométriques exposées ci-après se rapportent à la position des pales qui correspond au pas normal de l'hélice. Pour assurer aux extrémités des pales de l'hélice d'un navire un écoulement correspondant à des valeurs déterminées régulières de circula- tion, il est connu qu'il est nécessaire de donner à ces pales une géo- métrie très spéciale, impliquant une répartition inhabituelle du pas suivant le rayon * mais une telle mesure est insuffisante, car il faut en outre em- p8cher des tourbillons de se former à l'endroit des bouts de pales. A cet effet, on peut recourir aux dispositions suivantes: a) on fait fonctionner l'hélice à l'intérieur d'une tuyère fixe cons- tituant un tunnel d'alimentation, et présentant un profil de révolution co - axial à l'héliee. Cependant, on n' assure pas ainsi une élimination complète des tourbillons de bout de pales par suite de lintervalle qu 'il faut lais- ser subsister entre les bouts dos pales et la surface interne du tunnel. b) on fixe un tunnel du genre ci-dessus aux extrémités des pales de l'hélice, de telle manière que ce tunnel tourne avec l'hélice. Mais le rendement de l'hélice se trouve alors très nettement réduit, par suite de la résistance visqueuse élevée présentée par le tunnel qui tourne. c) on monte sur les extrémités des pales de l'hélice des plaques d'arrAt profilées, correspondant chacune à une partie d'un tunnel imaginaire entourant l'hélice, comme défirni ci-dessus en a) et b). Cependant, même en donnant aux pales de l'hélice la géométrie très spéciale qui est nécessaire pour assurer aux extrémités des pales un écoule- ment correspondant à des valeurs déterminées de circulation, et m8me en montant en outre des plaques d'arrêt disposées transversalement sur les ex- trémités des pales, afin d'y obtenir théoriquement des conditions déter- minées de circulation, on est loin d'y parvenir en pratique, par suite des phénomènes de séparation affectant l'écoulement à l'endroit o le fluide 2 246849.9 contacte les plaques d'arrêt montées en bout des pales de l'hélice, lorsque celle-ci tourne pour faire avancer le navire. C'est pourquoi le rendement des hélices de ce genre a toujours été peu satisfaisant jusqu'à présent, se situant en-dessous du rendement des hélices courantes. Nais le faible rendement des hélices du genre en question se trouve considérablement amélioré si le courant du fluide arrivant sur les plaques d'arrêt prend contact avec celles-ci sans effet de choc, quelles que soient la vitesse du navire et la vitesse de rotation de l'hélice, afin d'éliminer les phénomènes de séparation de l'écoulement évoqués plus haut. Le but de l'invention est de réaliser un système propulsif du genre en question de rendement fortement amélioré, grâce à des moyens permettant de créer pratiquement des conditions d'écoulement sans chocs à l'endroit des extrémités des pales de l'hélice et des plaques d'arrêt qui y sont montées. Suivant l'invention, on associe un tunnel d'alimentation fixe à une hélice pourvue de plaques d'air-t en bout de pales. L'invention vise un système propulsif pour un navire, comportant une hélice du type à pales fixes ou à pales orientables (les pales étant alors considérées dans leur position de pas normal), l'hélice, ayant un certain nombre de pales, se trouve associée à un tunnel d'alimentation non tournant, co-axial à l'hélice, et décalé par rapport à celle-ci du c8té de sa face d'aspiration; chaque pale de l'hélice porte à son extrémité une plaque d'arrêt fixe disposée en regard du bord de fuite du tunnel d'alimentation. Selon l'invention, le système défini ci-dessus peut présenter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: la partie du tunnel adjacente au bord de fuite de celui-ci constitue le prolongement d'une figure géomé- trique idéale engendrée par la rotation d'une intersection de la plaque d'arrêt de bout de pale par un plan axial, à l'endroit de la génératrice de la pale considérée, lorsqu'on fait tourner la plaque d'arrêt autour de l'axe; le tunnel d'alimentation présente en regard de la plaque d'arrêt un rayon interne sensiblement égal à celui de ladite figure géométrique en regard dudit tunnel; des moyens sont prévus pour amener un courant de fluide jusqu'à la face d'aspiration de l'hélice, en assurant un écoulement sensiblement sans chocs contre chaque plaque d'arrêt; à son endroit le plus court, le tunnel présente une longueur au moins égale à 5 % du diamètre de l'hélice et au plus égale à 2 fois ce diamètre. 3 2468499 D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description de quelques modes de réalisation présentés ci - après à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente, à l'arrière de la partie immergée d'un navire, une hélice conforme à l'invention associée à un tunnel d'alimentation. On a schématiquement indiqué quelques unes des variantes possibles du profil de l'étambot par rapport au tunnel de l'hélice. Bien entendu, tout autre type d'étambot peut être pourvu d'une hélice conforme à l'invention, ainsi associée à un tunnel d'alimentation - les figures 2 et 3 représentent schématiquement respectivement des coupes axiales et des coupes radiales de pales d'hélices conformes à l'in- vention, comportant des plaques d'arrêt de divers profils disposées transver- salement en bout de chaque pale; - la figure 4A représente schématiquement une hélice associée, confor- mément à l'invention à un tunnel d'alimentation, de diverses formes possibles. Les coupes schématiques de la figure 4 B représentent divers profils possibles du bord de fuite du tunnel, et diverses dispositions possibles de ce bord de fuite par rapport aux plaques d'arrêt des pales de l'hélice associée. - la figure 5 représente schématiquement une hélice à pales orientables; la figure 6 représente l'hélice de la figure 5 associée à un tunnel d'alimentation, ainsi que quelques surfaces de révolution théoriques liées à une pale, pour définir le tracé du profil interne du tunnel d'alimentation conforme à l'invention, et le tracé du profil interne de la plaque d'arrêt fixée à l'extrémité de la pale considérée, - la figure 7 représente schématiquement en élévation latérale et vue par l'arrière une hélice conforme à l'invention dont les pales sont munies en bout de plaques d'arrêt,conformes aux figures 2 et 3, ou analogues. Pour assurer pratiquement des valeurs finies de circulation, sur les profils de l'extrémité de chaque pale de l'hélice d'un navire comportant des pales 2 munies chacune en bout d'un élément en saillie 3, sensiblement trans- versale, constituant une barrière d'arrêt, on dispose en avant de l'hélice (donc normalement en amont de celle-ci) un tunnel 4 d'alimentation qui ne tourne pas avec l'hélice. Le bord de fuite 5 du tunnel d'alimentation présente une configuration circulaire spécifiquement adaptée à l'hélice. Le but du tunnel est de canaliser l'écoulement du fluide qui le traverse, en 4 2468499 évitant les effets de choc, et autant que possible les turbulences,pour assurer ainsi l'arrivée du fluide jusqu' aux barrières dl arrêt situées aux bouts de pales de l'hélice. La forme du bord de fuite du tunnel est conçue pour constituer un prolongement de la surface de révolution engendrée par les plaques d'arrêt lorsque l'hélice tourne. Comme on le voit pour la figure 1, le tunnel d'alimentation est co - axial à l'hélice et décalé par rapport à celle-ci. Il est naturellement dis- posé en regard de la face d'aspiration de l'hélice, de manière à guider vers l'hélice le fluide sur lequel celle-ci agit. Les plaques constituant une barrière d'arrêt à 1'extrémité de chaque pale peuvent présenter diverses configurations, telles qu'indiquées schéma- tiquement par les éléments 3f à 3i (figure 2) et 3j à 3p (figure 3) ou sui- vant diverses combinaisons de ces éléments. Ces plaques engendrent donc des figures géométriques différentes sous l'effet de la rotation de l'hélice. les plaques d'arrêt sont réalisées chacune de telle manière que l'intersection de leur surface moyenne idéale avec un plan perpendiculaire à l'axe de l'hélice corresponde à un arc de cercle. Le tunnel d'alimentation peut présenter un profM d'ensemble plus ou moins profilé. Plus le tunnel est profilé, plus on atténue les inconvénients liés à la présence du tunnel quant à la résistance du navire à l'avancement. La forme exacte du tunnel d'alimentation 4 et ses proportions précises parrapport à l'hélice peuvent correspondre à diverses variantes de réalisation, ainsi qu'on l'a indiqué sur la figure 4 A qui représente quelques tunnels de formes différentes 4a à 4f, correspondant à diverses proportions et disposi- tions par rapport aux hélices auxquelles ils sont associés (schémas 5a à 5f). Cependant, il faut que la forme du tunnel soit choisie pour empêcher les dé- collements le long de sa surface interne, et pour provoquer une accélération plus ou moins accentuée de cet écoulement d'eau ou de fluide. Pour un navire de formes données, il existe une valeur optimale de l'accélération de l'eau dans le tunnel, correspondant au meilleur compromis possible entre le ren- dement hydrodynamique de la coque et le rendement de l'hélice. On peut donc déterminer la forme du tunnel d'accélération pour obtenir cette valeur opti- male de l'accélération de l'écoulement- Finalement, pour obtenir le rendement maximum de la combinaison cons- tituée par l'hélice et son tunnel, il faut choisir la forme et la position des plaques d'arrêt montées en bout des pales, par rapport au bord de fuite du tunnel d'alimentation, non seulement dans le sens axial, mais aussi ra- dialement et transversalement, afin d'obtenir dans le tunnel une accéléra- tion aussi élevée que possible, compatible avec une faible valeur de la tratnée liée aux écoulements visqueux à l'endroit des plaques d'arrât. Ce faisant, on devra toujours chercher des forces et des profils évitant les turbulences en bout des pales, et assurant au courant de fluide amené par le tunnel les meilleures conditions possibles de contact sur les plaques d'arrêt, sans effets de chocs. Une telle combinaison d'une hélice conforme à l'invention, associée à un tunnel d'alimentation, comme décrit ci-dessus, peut être adaptée à toutes sortes de navires, pourvus d'étambots quelconques. La disposition de l'hélice conforme à l'invention et de son tunnel dans la zone de l'étambot peut corres- pondre à diverses configuration. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 1, la disposition d'une hélice conforme à l'invention, avec son tunnel d'alimentation, sur un étambot de type très courant, en indiquant schématique- ment diverses variantes possibles 7a à 7c du profil de l'étambot en regard du tunnel. Suivant le cas, on pourra avoir divers nombres de pales sur l'hélice d'un navire, et au besoin plusieurs hélices pour assurer la propulsion d'un navire. Mais l'invention ne dépeni pas du nombre de pales de l'hélice, ni du nombre d'hélices du navire, et peut s'appliquer à des hélices ayant un nombre quelconque de pales, ainsi qu'à chaque hélice d'un navire à plusieurs hélices. Dans les divers modes de réalisation schématisés sur les figures, lîhélLce comporte un moyeu 1 et un certain nombre de pales 2, dont chacune porte à son extrémité une plaque 3,3a à 3i et 3j à 3p, constituant une barrière d'arrêt. L'hélice est assooéie à un tunnel d'alimentation 4, 4a à 4f, qui présente un bord de fuite 5, 5a à 5f. L'ensemble propulsif constitué par l'hélice associée à son tunnel d'alimentation équipe un navire, dont la coque 6 comporte un étambot 7 pouvant présenter divers profils 7a à 7c (figure 1). L'ensemble propulsif conforme à l'invention, constitué par une hélice alimentée par un tunnel fixé à la coqu. du navire, permet d'obtenir dans la zone des extrémités des pales de l'heélice, un écoulement bien appliqué au profil de chaque bout de pale, et sensiblement parallèle à l'orientation de la plaque d'arr8t disposée en bout de chaque pale. Grâce à l'invention, on peut ainsi améliorer le rendement propulsif d'une hélice dont les pales sont prévues pour fonctionner avec des valeurs déterminées de circulation à 6 2468499 l'endroit de leurs profils d'extrémité, en présence de plaques d'arrêt disposées aux extrémités de ces pales. En effet, le dispositif prévu par l'invention permet d'amener de manière efficace, et sensiblement sans effets de choc, un courant de fluide arrivant aux plaques d'arrêt des pales de l'hélice et s'écoulant sur ces plaques. Même si les pales 2 de l'hélice présentent la géométrie spéciale néces- saire pour assurer à l'endroit de leurs extrémités une circulation déter- minée et bien que ces pales comportent chacune à leur extrémité une plaque d'arrêt, telle qu'une plaque 3a à 3j et 3j à 3p, en vue d'assurer à l'en- droit de l'extrémité de chaque pale une telle circulation, ces dispositions ne suffisent pas à assurer pratiquement le mode de circulation voulu. Pour y arriver, il faut en outre assurer un écoulement exempt de chocs à l'ar- rivée sur les plaques d'arrêt et le long de ces plaques. Un tel écoulement sans chocs est obtenu en disposant un tunnel d'alimentation, tel que le tunnel 4a à 4f, immédiatement en amont des pales de l'hélice. Ce tunnel doit être convenablement adapté aux formes de l'hélice et de la coque, et en outre convenablement raccordé au profil des plaques d'arrêt montées aux extrémités des pales de l'hélice, ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 4B. Ce raccordement du tunnel au profil des plaques d'arrêt est d'une très grande importance pour le rendement de l'hélice, et constitue l'une des particularités essentielles de l'invention. Comme déjà indiqué, le bord de fuite du tunnel d'alimentation disposé en regard de l'hélice doit constituer en quelque sorte un prolongement de la surface géométrique idéale engendrée par les plaques d'arrêt des pales de l'hélice, lorsque celle-ci tourne (ou vice versa). Dans le cas d'une hélice à pas variable, les conditions. que l'on vient d'indiquer se rapportent à la position des pales correspondant au pas normal de l'hélice, mais lorsque l'orientation des pales change, les plaques d'arrêt sortent de la surface idéale située dans le prolongement du bord de fuite du tunnel d'alimentation. En ce cas, chaque plaque d'arrit peut encore remplir sa fonction si elle reste tangente à une surface de révolution dont l'axe est confondu avec l'axe de pivotement du pied de la pale considérée, ainsi qu'on va maintenant l'exposer en référence aux Figures 5 et 6. Sur la figure 5, on a représenté schématiquement une hélice à pales orien- tables, et sur la figure 6, on a représenté la même hélice associée à un 7 2468499 tunnel d'alimentation 4, ainsi que quelques unes des surfaces de révolution possibles 6, de même axe 5 que le pied de la pale 2 considérée. La condition géométrique énoncée plus haut est que chaque plaque d'ar- rét 3 doit étre tangente à une surface de révolution 6, celle-ci étant choisie de telle manière que la surface du tunnel 4 soit également tangente à la même surface de révolution 6, pour permettre au courant d'eau sortant du tunnel d'alimentation d'arriver sur la plaque d'arrêt 3 pratiquement sans chocs. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation que l'on vient de décrire à titre d'exemples, et on peut y apporter diverses variantes sans sortir du domaine de l'invention. Par exemple, le tunnel d'alimentation associé à l'hélice du système propulsif conforme à l'invention peut présenter diverses configurations. D'une manière avantageuse, le tunnel présente à son endroit le plus court une longueur au moins égale à 5 % du diamètre de l'hélice, et au plus égale à 2 fois ce diamètre. En outre, la plaque d'arrêt montée en bout de chaque pale a de préférence sa bordure antérieure écartée d'au moins 5 millimètres environ, par rapport au bord de fuite du tunnel d'alimentation. Dans un autre mode de réalisation, le bord d'attaque de chaque plaque d'arrêt forme un recouvrement avec le bord de fuite du tunnel d'alimentation, comme il est illustré par quelques exemples sur la figure 4B. Le tunnel d'alimentation, qui est profilé, peut comporter une section transversale qui varie en dimensions et en configuration le long de son axe. Par exemple, le tunnel peut présenter une longueur constante sur toute sa périphérie. Au besoin, le tunnel peut être prolongé vers l'avant par des nervures de guidage. En variante, le tunnel peut présenter suivant sa périphérie une lon- gueur variable, cette longueur ayant sa valeur maximale sensiblement à l'en- droit du tunnel le plus rapproché de la coque du navire, et sa valeur mini- male à l'endroit du tunnel le plus éloigné de la coque. 8 2468499 REVENDICATIONS 1. Système propulsif pour un navire comportant une hélice ayant une pluralité de pales fixes ou des pales orientables (celles-ci étant alors considéréesdans leur position de pas normal, chaque pale de l'hélice portant à son extrémité une plaque d'arrêt transversale fixe, ledit sytème étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens directeurs de fluide disposés en position fixe, en avant de ladite hélice par rapport au sens normal de marche du neare, lesdits moyens directeurs amenant un courant de fluides jusqu'à la fa ce d'aspiration de l'hélice en assurant un écoulement 1i sensiblement sans choc du fluide contre chaque plaque d'arrêt. 2. Système suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens directeurs de fluide précités sont constitués par un tunnel fixe d'ali- mentation à section circulaire, coaxial à l'hélice et décalé vers l'avant par rapport à celle-ci, et en ce que le partie arrière dudit tunnel constitue sensiblement un prolongement imaginaire de la figure géométrique idéale dé- crite par les plaques d'arrêt lorsque l'hélice est en rotation. 3. Système suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le rayon interne dudit tunnel d'alimentation dans sa partie postérieure adjacente aux plaques d'arrêt, est sensiblement identique au rayon de la figure géométrique décrite par les plaques d'arrêt en leur point le plus proche dudittannel. 4. Système suivant la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que la longueur dudit tunnel, dans sa partie la plus courte est comprise entre 5 % du diamètre de l'hélice et 2 fois ce diamètre. 5. Système suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les pales de l'hélice ont une géométrie procurant une distribution variable du pas le long du rayon de la pale pour assurer une circulation régu- lière du fluide dans la section d'extrémité des pales. 6. Système selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que chaque plaque d'arrêt de l'hélice présente une bordure antérieure écartée d'au moins 5 millimètres environ, parrapport au bord de fuite du tunnel d'ali- mentation. 7. Système selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la bordure antérieure de chaque plaque d'arrêt forme un recouvrement avec le bord de fuite du tunnel d'alimentation. 8. Système selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le tunnel d'alimentation présente une section profilée. 9 2468499 9. Système selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le tunnel d'alimentation présente une section transversale variable en dimensions et en configuration le long de son axe. 10. Système selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le tunnel présente une longueur constante sur toute sa périphérie. 11. Système selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le tunnel d'alimentation est fixé à demeure sur la coque d'un navire, 12. Système selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le tunnel présente suivant sa périphérie une longueur variable, cette longueur ayant sensiblement sa valeur maximale à l'endroit du tunnel le plus rapproché de la coque, et sa valeur minimale à l'endroit du tunnel le plus éloigné de la coque. 13. Navire comportant une coque et une hélice, caractérisé en ce que l'hélice est associée à un tunnel d'alimentation pour constituer un système propulsif conforme à l'une des revendications 2 à 12; le tunnel d'alimen- tation étant fixé à demeure sur la coque du navire. 14. Navire comportant une coque et au moins deux hélices, caractérisé en ce que chaque hélice est associée à un tunnel d'alimentation, pour constituer un système propulsif conforme à l'une des revendications 2 à 12. 15. Procédé poulr améliorer le rendement propulsif d'un navire propulsé par au moins une hélice, caractérisé en ce qu'on monte en bout de chaque pale de chaque hélice une barrière d'aarr-t, chaque pale ayant une forme, assurant à l'endroit de chaque bout de pale, un écoulement régulier déterminé du fluide, et en ce qu'on fait arriver aux plaques d'arrêt et passer sur ces plaques, un courant de fluide sensiblement sans chocs. 16* Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on dispose un tunnel d'alimentation pour faire arriver le courant de fluide dans une zone circonscrite par les plaques d'arrêt. 17. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on forme un prolongement des plaques d'arrêt au moyen d'un tunnel d'alimentation non tournant. 18. Procédé selon la revendication 15, applicable dans le cas d'une hélice à pales orientables (hélice à pas variable), caractérisé en ce que le profil de sortie du tunnel d'alimentation et le profil de la face interne de chaque plaque d'arrêt sont adaptés l'un à l'autre, de manière à conserver l'ef- ficacité des plaques d'arrêt, même lorsque celles-ci tendent à sortir du prolongement de la sortie du tunnel d'alimentation, par suite de la rotation de chaque pale autour de l'axe de son pied. 2 46 8 4 9.9 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la plaque d'arrêt montée en bout de chaque pale est tangente à une surface de révolution dont l'axe est confondu avec l'axe de pivotement du pied de la pale orientable considérée, de telle sorte que le courant d'eau sortant du tunnel d'alimentation arrive sensiblement sans chocs sur bs plaques d'arrét, en toute position des pales orientables.