Brevet FR2822801A1 — publié le 20021004

La présente invention a pour objet un procédé d'amélioration du rendement des hélices de bateau, ainsi que les hélices modifiées selon ce procédé. Elle concerne le domaine industriel et commercial de la fabrication et de la diffusion d'hélices de tous types et de toutes dimensions destinées aussi bien aux embarcations de plaisance qu'aux bateaux à usage professionnel. Une hélice de bateau est comparable à une vis qui, animée d'un mouvement de rotation, se déplace en se vissant dans un fluide. Dans un corps solide, une vis se déplace de la valeur de son pas multiplié par le nombre de tours de rotation qu'on lui imprime. Dans un fluide, l'hélice se déplace également mais d'une fraction seulement du produit de son pas par la vitesse de rotation, car le fluide n'exerce pas sur l'hélice une résistance parfaite ; il y a des pertes que l'on appelle"glissement"de l'hélice. Dans l'état actuel de la technique, ce glissement n'est pas négligeable. Le"glissement"d'une hélice peut se traduire d'une manière assez simple, pour bon nombre de bateaux, par un rapport de la vitesse du bateau sur la vitesse linéaire théorique de l'hélice (Rv = VbNlh). Par exemple, si une hélice a un pas de 1 m, et qu'elle tourne à 1000 tours/mn, sa vitesse linéaire théorique est de 1000x1=1000 m/mn. Si la vitesse du bateau est à cet instant de 650 m/mn, le rapport de vitesse Rv sera égal à 650/1000, soit 65%. A ce jour, ce rapport est très souvent compris entre 50 et 70 % sur des hélices non améliorées. L'une des causes principales du"glissement"d'une hélice 1 est due au fait que, lorsqu'elle est animée d'un mouvement de rotation r, la vitesse de ce mouvement crée sur les pales 2 de l'hélice une force centrifuge Fc qui a tendance à projeter une importante quantité de fluide vers le sommet des pales dans le plan radial de la rotation. La combinaison de cette force centrifuge avec la force d'avancement Fa due au pas de l'hélice a pour effet, à l'intrados de la pale, une résultante Rfp des forces de pression sur le fluide décrivant une courbe proche de la parabole dirigée du pied, vers le sommet de la pale (figure 1). Ces forces de pression confèrent alors au champ des forces 3 et vitesse du fluide en aval de l'hélice une forme caractéristique en ogive (figure 2). Une bonne partie de ces forces est perdue pour la propulsion (ce sont des zones tourbillonnaires). Les forces dues à la centrifugation du fluide vont, d'autre part, interférer avec la coque 4 du bateau (figure 3), ou le carénage 5 d'hélice (figure 4), voire la tuyère 6 d'hélice (figure 5), et vont créer ce qu'on peut appeler un"écho de pression"7 renvoyé par la coque 4, le carénage 5 ou la tuyère 6, sur les sommets des pales de l'hélice 1 dont l'efficacité sera encore diminuée par la création de zones tourbillonnaires secondaires. Ce phénomène se traduit visiblement en aval d'une hélice par une grande quantité d'eau brassée et émulsionnée, sans efficacité propulsive. La présente invention a pour objectif de remédier à cet état de choses. Elle permet, en effet, de limiter les effets des forces de pression dues à la centrifugation du fluide en canalisant ces forces afin que la forme caractéristique en ogive (figure 2) se rapproche d'un champ des forces 3'de forme cylindrique (figure 6). Grâce à une transformation ne nécessitant qu'un investissement réduit, elle assure une diminution très sensible du"glissement"de l'hélice entraînant une nette augmentation de vitesse des bateaux à régime égal de rotation du moteur, ou un gain important de consommation de carburant, ainsi qu'une augmentation de la durée de vie du moteur. Le principe consiste à modifier l'extrémité des pales sur une zone comprise entre 1/3 et 1/6 de leur périmètre total de façon à créer sur l'intrados des déflecteurs aptes à rabattre vers l'aval de l'hélice, selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation, les filets d'eau dirigés radialement par la force centrifuge provoquée par la rotation de ladite hélice. Sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de l'invention : les figures 1 à 6, déjà citées, représentent respectivement : - figure 1 : une hélice vue de face, - figure 2 : la forme du champ de forces dû à une hélice courante, - figures 3 et 4 : deux variantes de coques de bateaux vues de l'arrière, - figure 5 : une hélice pourvue d'une tuyère, - figure 6 : la forme du champ de forces dû à une hélice modifiée, la figure 7 représente en perspective une hélice conforme à l'invention, la figure 8 est une coupe transversale partielle agrandie suivant les flèches F1 de la figure 7, la figure 9 représente, vue de face une pale modifiée montrant l'allure de filets de fluide sur la surface de l'intrados, les figures 10 et 11 sont des coupes transversales partielles agrandies, respectivement suivant les flèches F2 et F3 de la figure 9 et les figures 12 et 13 montrent le sillage d'un bateau, respectivement équipé d'hélices classiques et d'hélices selon l'invention. Le dispositif, figures 7 à 11, est constitué d'une hélice 1 comportant des pales 2 dont les extrémités sont pourvues, côté intrados, de déflecteurs 10 périphériques obtenus par déformation desdites pales ou par tout autre moyen. Le procédé adopté pour canaliser les forces centrifuges consiste à rabattre l'extrémité des pales 2 dans la portion où le phénomène est le plus manifeste et pénalisant. La déformation du sommet des pales est variable en fonction de la taille de l'hélice 1, de sa forme, du nombre de pales, de l'épaisseur des bouts de pales, etc. Cette déformation reste toutefois toujours discrète (figures 8 et 10), voire modeste, en regard de son efficacité. Le périmètre de pale 2 soumis à la déformation sera compris entre 1/3 et 1/6 du périmètre total de la pale. (périmètre soustendu par l'angle alpha). La hauteur H moyenne de la déformation au-dessus de l'intrados sera de 2 à 5 fois l'épaisseur E de la pale à son extrémité et le rayon de courbure R de la déformation sera de 1,5 à 10 fois l'épaisseur E de la pale (figure 7). A la naissance de la déformation, ainsi qu'à sa fin, on adoptera des hauteur H dégressives jusqu'à tangenter le bord d'attaque 11 et le bord de fuite 12 de la pale afin de ne pas créer de rupture de l'écoulement des filets de fluide (figure 11). Lors d'essais effectués avec des hélices de tous types, la mise en application de ce procédé de canalisation de l'écoulement fluide sur les pales a démontré une efficacité certaine sur la quasi totalité des hélices ainsi modifiées. Cette efficacité se traduit dans les faits par un rapport Rv de la vitesse du bateau sur la vitesse linéaire théorique de l'hélice compris entre 70 et 87 %. Le"glissement"de l'hélice a donc diminué dans une proportion moyenne importante. Le gain en vitesse pure des bateaux ainsi équipés est en moyenne de 1/3, à régime de rotation moteur égal. Le régime de rotation moteur à retenir pratiquement sera très proche du régime de consommation spécifique minimum du moteur, qui est lui-même très voisin du régime de couple maximum du moteur, soit 3/4 à 4/5 du régime maximum. Dans ce cas, au gain de vitesse de 1/3 s'ajoute un gain de consommation carburant qui peut également atteindre, voire dépasser 1/3. Pratiquement on définira le pas de l'hélice en vue de privilégier la vitesse pure ou la force propulsive mais également la consommation minimum dans tous les cas. A titre d'exemple, un bateau RIVA type AMERICA 48'équipé de deux moteurs CUMMINS de 400 CV, qui avait une vitesse maximale de 26 noeuds à 2900 RPM (régime moteur maximum), a vu, après modification de ses hélices, non seulement sa vitesse passer à 29 noeuds à 2550 RPM (22 noeuds à 2600 RPM avant modification), mais également sa consommation chuter de 35%. En plus de l'efficacité accrue de l'hélice améliorée par le procédé selon l'invention, du gain de carburant important, le fait d'utiliser les moteurs à un régime de 80 à 90% du régime maximum, augmente la durée de vie desdits moteurs dans une proportion de 1 à 10 en diminuant les coûts d'entretien. D'autres avantages intéressants sont à constater au bénéfice du procédé tels que : - Diminution des vibrations de l'hélice, des safrans de gouvernails (lorsqu'ils sont placés derrière l'hélice), des vibrations de coque. - Diminution des bruits d'hélice. - Amélioration très sensible du sillage avec diminution des remous 13 à l'arrière du bateau (voire suppression de ces remous) et report de ces remous très atténués à 5 ou 6 fois la distance habituelle (voir figure 12 : avant amélioration d'hélice et figure 13 : après amélioration d'hélice.) -Amélioration de l'''assiette''du bateau dont la portance de la poupe n'est plus pénalisée par la présence des remous. Bien entendu les gains tant en vitesse, qu'en force propulsive, consommation et autres ne s'entendent qu'avec des hélices parfaitement définies, exemptes de salissures, dépôts organiques ou autres, chocs et impacts, etc. Les états de surface des pales doivent être tout particulièrement soignés comme pour toutes les hélices. De très bons résultats peuvent être obtenus avec un polissage des surfaces des pales, à la ponceuse orbitale avec un abrasif de grain 50 ou 60 qui laissera en surface du métal de très nombreuses petites rayures en circonvolutions, utiles à la rétention d'un film d'eau très favorable à l'amélioration de la"couche limite" sur le profil des pales d'hélice. La mise en application du procédé peut se faire de nombreuses manières différentes : - Par forgeage des extrémités de pales 2, à froid ou à chaud, et finition par meulage, ponçage, etc. - Par apport de métal (soudure) créant un bourrelet en bout de pale, dont la forme définitive sera obtenue par usinage, meulage, etc. - Par fixation d'un jonc de métal préformé au profil souhaité et solidarisation aux pales par soudage, brasage, vissage, assemblages complémen- taires type"queue d'aronde", ou tout autre système ou cumul de systèmes de fixation adaptés. - Par modelage et moulage de fonderie au sable, à cire perdue, etc. Dans tous les cas, il est fondamental que, quelle que soit la méthode employée, on obtienne une grande qualité d'interaction des formes et une bonne progressivité dans l'évolution des courbes. Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires. REVENDICATIONS 1 . Procédé d'amélioration du rendement des hélices de bateau, s'appliquant à la réalisation d'hélices de tous types et de toutes dimensions destinées aussi bien aux embarcations de plaisance qu'aux bateaux à usage professionnel, caractérisé en ce que l'extrémité des pales (2) de l'hélice (1) est modifiée sur une zone comprise entre 1/3 et 1/6 de leur périmètre total de façon à créer sur l'intrados de chaque pale un déflecteur (10) apte à rabattre vers l'aval de l'hélice (1), selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation, les filets d'eau dirigés radialement par la force centrifuge due à la rotation de ladite hélice. 2 . Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que les déflecteurs (10) sont réalisés par forgeage à froid ou à chaud des extrémités de pales (2), et finition par meulage, ponçage, ou technique analogue. 3 . Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que les déflecteurs (10) sont réalisés par soudure de façon à ce que l'apport de métal crée un bourrelet en bout de la pale (2), la forme définitive étant obtenue par usinage ou par meulage. 40. Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que les déflecteurs (10) sont réalisés par fixation à l'extrémité de la pale (2) d'un jonc de métal préformé au profil souhaité et solidarisation aux pales par soudage, brasage, vissage, assemblages complémentaires type"queue d'aronde", ou tout autre système ou cumul de systèmes de fixation adaptés. 5 . Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que les déflecteurs (10) sont réalisés par modelage et moulage de fonderie. 6 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la surface des pales (2) est polie à la ponceuse orbitale avec un abrasif de grain 50 ou 60 de manière à laisser à la surface du métal de très nombreuses petites rayures en circonvolutions aptes à provoquer la rétention d'un film d'eau favorable à l'amélioration de la"couche limite"sur le profil des pales de l'hélice (1). 7 . Hélice de bateau réalisée grâce au procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes et destinée aussi bien aux embarqua- tions de plaisance qu'aux bateaux à usage professionnel, se caractérisant par le fait que l'extrémité des pales (2) de l'hélice (1) comporte, côté intrados, sur une zone comprise entre 1/3 et 1/6 du périmètre total de ladite pale un déflecteur (10) apte à rabattre vers l'aval de l'hélice (1), selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation, les filets d'eau dirigés radialement par la force centrifuge due à la rotation de ladite hélice. 8 . Hélice de bateau selon la revendication 7, se caractérisant par le fait que la hauteur (H) moyenne du déflecteur (10) au-dessus de l'intrados de la pale (2) est comprise entre 2 et 5 fois l'épaisseur (E) de ladite pale à son extrémité. 90. Hélice de bateau selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, se caractérisant par le fait que le rayon de courbure (R) du déflecteur (10) est de 1,5 à 10 fois l'épaisseur (E) de la pale (2) à son extrémité. 10 . Hélice de bateau selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, se caractérisant par le fait que les hauteurs (H) moyennes du déflecteur (10) au-dessus de l'intrados de la pale (2) sont dégressives à la naissance et à la fin dudit déflecteur jusqu'à tangenter le bord d'attaque (11) et le bord de fuite (12) de ladite pale.