Brevet FR2589423A1 — publié le 19870507

La présente invention concerne les hélices de propulsion fonctionnant dans un milieu liquide et plus particulièrement celles destinées à équiper les navires et comportant des moyens pour neutraliser les effets produits par la cavitation. Les phénomènes de cavitation sont notamment remarqués sur les navires de tonnage important qui utilisent en conséquence des hélices de grandes dimensions. D'une façon résumée, la pluralité des pales d'une hélice sont soumises à des pressions hydrostatiques sur leur face avant, (haute pression) orientée dans le sens contraire au déplacement du navire. Par contre, les pressions hydrostatiques exercées sur leur face arrière en regard du navire, (basse pression) en opposition aux précédentes, sont inférieures. Lorsque la vitesse de rotation de l'hélice augmente, les pressions hydrostatiques appliquées sur les faces arrières diminuent jusqu'à atteindre, puis dépasser, une valeur limite engendrant l'apparition de cavités sensiblement sphériques constituées par de la vapeur d'eau. La formation de ces cavités ou bulles intervient lorsque la pression du liquide, en l'occurrence l'eau appliquée sur la face arrière de chaque pale devient inférieure à la tension de vapeur de ce liquide. En conséquence, une partie de chaque face arrière n'est plus en contact direct avec le liquide mais avec un mélange constitué d'eau et de bulles de vapeur. Ces phénomènes de cavitation entrainent alors des inconvénients considérables. En effet, les bulles implosent avec violence lorsqu'elles arrivent au voisinage de l'extrémité de pales où la pression s'accroît. Ces implosions en nombre considérable, provoquent, l'érosion et la destruction locale du matériau constituant la pale, des bruits importants, ainsi que des vibrations, néfastes lorsqu'il s'agit par exemple de navires de pêche dont les sonars détectant les bancs de poissons peuvent être brouillés, ou de nav-ires de guerre qui se trouvent ainsi facilement détectables par l'ennemi. Bien évidement, tous ces phénomènes causés par la cavitation entrainent une perte de rendement importante de hélice. Des solutions ont tenté de réduire ces phénomènes de cavitation. Un premier exemple consiste à équiper le moyeu de l'hélice d'un dispositif qui injecte des jets d'air à vitesse élevée pour tendre à évacuer les bulles de vapeur produites par la cavitation vers l'extérieur de l'hélice. Cette solution donne des résultats peu significatifs et est de plus techniquement complexe et coûteuse. Un second exemple consiste à percer d'orifices les pales de l'hélice, afin d'éviter que la pression exercée sur la face arriere de chaque pale atteigne la valeur limite ou apparaît la cavitation ; mais alors le rendement de l'hélice se trouve fortement diminué. D'autres exemples, plus expérimentaux, consistent à définir des profils de pales particulièrement complexes, ou à concevoir des matériaux supportant davantage les phénomènes de cavitation. La présente invention a pour but de proposer une hélice palliant les inconvénients mentionnés ci-dessus, comportant des moyens pour neutraliser les effets produits par la cavitation, simples, préservant le rendement de l'hélice et peu coûteux. A cet effet, lthéliee de propulsion selon l'invention comprend une pluralité de pales agencées autour d'un axe de rotation de ladite hélice, chaque pale ayant d'une part, une face avant haute pression et d'autre part, une face arrière basse pression opposée à la précédente, des moyens pour éviter les effets produits par les phénomènes de cavitation et est remarquable en ce que lesdits moyens permettant d'éviter les effets produits par la cavitation sont constitués d'au moins un générateur de tourbillon agencé en saillie sur ladite face arrière de chacune desdites pales, disposé dans une direction transversale à la direction longitudinale de pale, ledit générateur provoquant un tourbillon dont la direction générale est sensiblement orthogonale à la fois à la direction longitudinale de pale correspondante et à l'axe de rotation de l'hélice, et orientée du bord d'attaque vers le bord de fuite de ladite pale de sorte que les bulles de vapeur produites par la cavitation soient entrainées dans ledit tourbillon Avantageusement, le générateur de tourbillon est conforme en un aileron agencé en saillie sur ladite face arrière basse pression. Selon une autre caractéristique de ltinvention, la face arrière de chacune desdites pales est munie d'une pluralité d'ailerons formant un alignement de direction sensiblement parallèle à la direction longitudinale de pale, chaque aileron étant sensiblement transversal audit alignement. De préférence, lesdits ailerons sont agencés dans une zone comprise entre la direction longitudinale de pale et le bord d'attaque de cette même pale, avant que ne se produise les phénomènes de cavitation. Dans un mode de réalisation, les ailerons sont orientés angulairement symétriquement l'un vis-à-vis de l'autre par rapport à une direction perpendiculaire à la direction longitudinale de pale correspondante, provoquant ainsi des tourbillons additifs de sens contraire de rotation l'un vis-à-vis de l'autre. Dans un autre mode de réalisation, les ailerons sont orientés angulairement parallèlement entre eux par rapport à une direction perpendiculaire à la direction générale de pale. L'hélice selon l'invention comporte de plus des moyens commandables pour faire varier simultanément les orientations desdits ailerons agencées sur la face arrière desdites pales, de façon que ceux-ci restent sensiblement parallèles ou symétriques l'un de l'autre par rapport à la direction perpendiculaire à la direction longitudinale de pale, de façon à adapter l'orientatfon desdits ailerons en fonction de la vitesse de rotation de l'hélice. Les figures des dessins annexes feront bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent ces éléments semblables. La figure 1 représente une application préférée de l'hélice de propulsion selon l'invention. La figure 2 représente une vue arrière de l'hélice suivant la flèche F1 de la figure 1. La figure 3 représente une coupe transversale agrandie d'une pale de l'hélice suivant II-II de la figure 2. La figure 4 représente schématiquement l'écoulement du fluide le long d'une section de pale. La figure 5 représente schématiquement les écoulements du fluide le long d'une pale d'hélice comportant plusieurs générateurs de tourbillons. La figure 6 représente une vue selon VI-VI de la figure 5 montrant les divers sens de rotation des tourbillons. La figure 7 représente une réalisation schématique de la commande d'orientation des ailerons. La figure 1 illustre un navire 1 naviguant sur l'eau au moyen d'une hélice de propulsion~92 montée autour d'un arbre de transmission 3 issu des moteurs du navire. L'hélice 2 tourne ainsi autour d'un axe de rotation 4 suivant le sens indiqué par la flèche R1. La figure 2 montre une vue arrière de l'hélice, seule, suivant F1 de la figure 1 comportant quatre pales 6 rigoureusement identiques les unes des autres, solidaires du moyeu 8 de l'hélice de propulsion 2. Ces quatre pales sont régulièment réparties autour de l'axe de rotation 4. Bien entendu, l'hélice pourrait comporter un nombre et un profil différents de pales. Chaque pale est constituée d'une face arrière 10 basse pression, située en regard du navire, et une face avant 11 haute pression (non visible sur la figure 2), qui définissent à leurs extrémités communes un bord d'attaque 13 et un bord de fuite 14 correspondant à la direction et au sens de l'écoulement du fluide, en l'occurrence l'eau, sur les pales de l'hélice. Selon l'invention, l'hélice de propulsion comporte des moyens pour neutraliser les effets indésirables produits par les phénomènes de cavitation rappelés dans le préambule de la demande. Avantageusement, ces moyens sont constitués d'au moins un générateur de tourbillon ayant la forme d'un aileron. Dans l'exemple de réalisation, plusieurs ailerons 18,19 sont agencés en saillie sur la face arrière 10 de chacune des pales. Les ailerons sont disposés dans une direction générale sensiblement transversale par rapport à la direction longitudinale de pale 21: Les ailerons forment un alignement de direction 26 sensiblement parallèle à la direction longitudinale de pale 21, et sont situés dans une zone comprise entre la direction 21 et le bord d'attaque 13 respectif, de préférence à une distance située au quart de la largeur de pale par rapportas bord d'attaque. En regard de la figure 2, les ailerons 18,19 sont disposés angulairement symétriquement l'un 18 vis-à-vis de l'autre 19 par rapport à une direction 28 perpendiculaire à la direction longitudinale de pale 21 correspondante. Chaque aileron 18,19 a pour but de provoquer un tourbillon suivant une direction générale d'écoulement 2 (figure 4) de façon à entraîner les bulles de vapeur produites par la cavitation dans ces tourbillons. La direction générale d'écoulement 24 est sensiblement orthogonale à la fois à la direction longitudinale 21 correspondante et à l'axe de rotation 4 de l'hélice, et est orientée du bord d'attaque 13 vers le bord de fuite 14 d'une même pale. Le fonctionnement décrit ci-dessous fera bien comprendre le but recherché et atteint par l'invention notamment en regard des figures 4, 5 et 6. Les conséquences engendrées par la cavitation dont l'origine est rappelée brièvement dans le préambule de la demande, provoquent, notamment l'érosion du matériau de l'hélice, des bruits et vibrations néfastes et une perte de rendement de l'hélice, à cause de l'implosion des bulles de vapeur. D'après les expériences réalisées pour mieux comprendre les phénomènes de cavitation, plusieurs types de bulles apparaissent sur les faces arrières des hélices. Ces bulles de vapeur sont hémisphériques, sphériques ou cylindriques. Les bulles de vapeur hémisphériques sont en contact avec la face arrière de chaque pale, les bulles sphériques sont entourées d'eau et les bulles cylindriques, correspondant à une multitude de bulles sphériques, sont regroupées dans un tourbillon cylindrique provoqué par le déplacement hélicoidal en bout de pale de 1hélice. Les deux premières catégories de bulles sont la cause neume des effets néfastes de la cavitation puisqu'elles implosent violenrnent lorsqu'elles atteignent le bord de f'te de chaque pale car la pression, inférieure sur la faee arrière par rapport à la pression exercee sur la face avant des pales, s'accroît pour redevenir égale à celle exercée sur la face avant. Les bulles cylindriques n'implosent pas puisqu'elles sont aspirées par la force centripète du tourbillon créée par le déplacement hélicoidal produit en bout de pale. Les bulles se condensent lentement sans imploser dans le tourbillon. Les ailerons disposés sur la face arrière des pales provoquent des tourbillons en amont de la zone où commence à se produire les bulles de vapeur pour les entraîner dans les tourbillons produits par les ailerons. Sur la figure 4, une section de la face arrière 10 d'une pale agrandie comportant un aileron 18, montre sensiblement l'écoulement du fluide par des lignes 30, définissant la direction générale d'écoulement 24, qui se déplace du bord d'attaque 13 au bord de fuite 14. L'aileron est ménagé avant que n'apparaissent les premières bulles de vapeur, afin de produire une zone tourbillonnaire 33 suivant sensiblement la direction générale d'écoulement 24. Dès l'apparition de bulles de vapeur 32, celles-ci sont aspirées vers l'axe central du tourbillon 33 confondu avec la direction 28 sous Iteffet de la force centripète. L'ensemble de ces bulles 32 ainsi capturées par le tourbillon 33 prend une forme sensiblement cylindrique, représentée par un cylindre 35 en trait mixte fin, et sont éjectées vers l'extérieur de la pale sans imploser Avantageuement, la disposition symétrique alternée des ailerons 18,19 provoque respectivement, e regard des figures 5 et 6, des tourbIllons additifs 33 3 33--i de sens contraire de rotation l'un par rapport à l'autre. Ainsi, la pluralité d'ailerons produit un champ de tourbillons additifs sur toute la face de la pale. Avec cette réalisation de l'invention, les bulles hémisphériques et sphériques changent de nature pour devenir, par aspiration dans les tourbillons additifs cylindriques évitant ainsi les dégradations (érosion, bruit, vibrations) causées par leur implosion sur l'hélice. La position, le nombre et le profil des ailerons sont fonction notamment de la taille de l'hélice et de la zone où se produit la cavitation, et seront adaptés en conséquence. Selon un autre mode de réalisation non illustré, les ailerons peuvent être angulairement parallèles entre eux suivant la direction 26. La figure 7 représente schématiquement un exemple d'un moyen commandable pour faire varier simultanément les ailerons agencés sur la face arrière des pales, tournée en regard du navire permettant ainsi de les orienter en fonction de la vitesse de rotation de l'hélice. Plus précisément, ce moyen commandable est disposé dans un volume interne 40 défini par les pales 6 et le moyeu 8 de l'hélice. Chaque pale comporte un moyen commandable indépendant identique. Ce dernier est constitué, de façon plus détaillée, par un moteur électrique 42 monté dans le moyeu 8 portant sur son axe de sortie 43, une roue dentée 45 coopérant avec une rampe dentée correspondante 46. Cette rampe 46 est montée dans le volume interne de la pale 6 et est guidée dans celle-ci par deux paliers 47. Une autre roue dentée 50 coopèrant avec la rampe 46, est montée sur une extrémité d'arbre 51 portant une seconde roue dentée 52 et sur lequel est relié sur son autre extrémité, l'aileron 19. Quant à l'aileron 18, il est relié à un arbre 54 parallèle à l'arbre 51, qui comporte également une roue dentée 55 coopérant avec la roue dentée 52 identique. Ainsi, lors du fonctionnement du moteur électrique 42, la roue 45 liée à celui-ci entraîne la rampe 46 dans un mouvement de translation, qui agit sur l'orientation des ailerons 18,19 par l'intermédiaire de la roue 50 et de l'engrenage constitué par les roues 52 et 55, dans un mouvement de rotation opposé. Ainsi les ailerons agencés sur la face arrière de chaque pale restent angulairement symétriques l'un de l'autre par rapport à la direction 28 perpendiculaire à la direction longitudinale de pale 21. L'orientation des divers ailerons est fonction de la vitesse de rotation de l'hélice. Ainsi, les ailerons sont orientés sensiblement perpendiculairement à la direction longitudinale de pale lorsque l'hélice tourne à vitesse réduite (pas de cavitation), jusqu'à occuper progressivement une orientation inclinée adéquate au fur et à mesure que la vitesse de rotation augmente. Les ailerons produisent alors les tourbillons nécessaires pour aspirer les bulles de cavitation. Les avantages procurés par l'hélice selon l'invention sont considérables puisque les conséquences néfastes alors produites par les phénomènes de cavitation sont minimisés voir neutralisés. Les applications sont particulièrement intéressantes pour les navires, mais pourraient s'adapter aux turbines à eau etc... REVENDICATIONS 1 - Hélice de propulsion fonctionnant dans un milieu liquide, comprenant une pluralité de pales (6) agencées autour d'un axe de rotation (4) de ladite hélice, chaque pale ayant d'une part, une face avant (11) haute pression d'autre part, une face arrière (10) basse pression opposée à la précédente, et des moyens pour éviter les effets produits par les phénomènes de cavitation, caractérisée en ce que lesdits moyens permettant d'éviter les effets produits par la cavitation sont constitués d'au moins un générateur de tourbillon (18) agencé en saillie sur ladite face arrière (10) de chacune desdites pales (6), disposé dans une direction transversale à la direction longitudinale (21) de pale, ledit générateur (18) provoquant un tourbillon, dont la direction générale (24) est sensiblement orthogonale à la fois à la direction longitudinale (21) correspondante et à l'axe de rotation (4) de l'hélice, et orientée du bord d'attaque (13) vers le bord de fuite (14) de ladite pale de sorte que les bulles de vapeur produites par la cavitation soient entraînées dans ledit tourbillon. 2 - Hélice selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit générateur de tourbillon est conformé en un aileron agencé en saillie sur ladite face arriere 3 - Hélice selon'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la face arrière (10) de chacune desdites pales (6 > . est munie d'une pluralité d'ailerons ( ornant un alignement de direction sensiblement parallèle (2b > à à la direction longitudinale de pale (21 > , chaque aileron étant sensiblement transversal audit alignement. 4 - Hélice selon-l'une des revendication 2 à 3, caractérisée en ce que lesdits ailerons (18) sont agencés dans une zone comprise entre la direction longitudinale de pale (21) et le bord d'attaque (13) de cette meme pale (6). 5 - Hélice selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisée en ce que les ailerons (18) sont orientés angulairement parallèlement entre eux par rapport à une direction (28) perpendiculaire à la direction longitudinale de pale correspondante. 6 - Hélice selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les ailerons (18,19) sont orientés angulairement symétriquement l'un vis-à-vis de l'autre par rapport à une direction (28) perpendiculaire à la direction longitudinale de pale. 7 - Hélice selon l'une des revendications 1 à 6 précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens commandables pour faire varier simultanément les orientations desdits ailerons agencés sur la face arrière desdites pales, de façon que ceux-ci restent sensiblement parallèles ou symétriques l'un de l'autre par rapport à la direction (28) perpendiculaire à la direction longitudinale de pale (21). 8 - Hélice comprenant une pluralité de pales associées à un moyeu (8) selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens commandables sont disposés dans un volume intérieur (40) défini d'une part, par chacune desdites pales et d'autre part, par ledit moyeu. 9 - Hélice selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que lesdits moyens commandables sont constitués par un ensemble d'engrenages (45,52) mû par un moteur ( > 42).