Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Ce retour d’expérience relate la conduite d’un projet de recherche collaborative consacré à la conception et à la validation d’un concept innovant d’hélice de navire équipée de pales composite rapportées sur son moyeu. Mobilisant des laboratoires de recherche en hydrodynamique et simulation numérique, et des PME spécialisées en modélisation et calculs mécaniques ou hydrodynamiques, et dans la conception d’outillage de production de pièces composites, le projet aboutit au développement de méthodes et procédés de fabrication d’une hélice à pales composite, dont certaines performances ont été validées lors d’une campagne d’essais en mer sur un navire test.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Frédérique LE LAY : Expert matériaux composites - Naval Group– Bouguenais, France
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Jean-François SIGRIST : Ingénieur-chercheur, journaliste scientifique - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours, France
INTRODUCTION
La propulsion des navires de grande taille est assurée par des hélices, pour la plupart constituées de matériaux métalliques. Les constructeurs et architectes navals s’intéressent également à d’autres matériaux, comme les composites, car ils présentent divers avantages (en particulier la légèreté ou la capacité à produire des pièces aux propriétés mécaniques adaptées aux sollicitations). La conception d’une hélice à pales composites n’est cependant pas sans poser de nombreux problèmes techniques. Un programme de recherche pluriannuel a été conduit par un constructeur naval d’envergure internationale, afin de développer les outils méthodologiques permettant de concevoir, produire et tester un concept innovant de propulseur en matériau composite.
Le projet « HéliCo » a ainsi mobilisé des experts industriels et académiques, issus du centre de recherche technologique d’un grand groupe, de deux laboratoires académiques et de trois PME du secteur de la construction navale. Il a abouti à la mise au point de méthodes de calcul permettant le dimensionnement et l’analyse du comportement hydrodynamique et mécanique de profils portants déformables, avec modélisation des interactions fluide-structure ; au développement d’un système de fixation de pales composites sur un moyeu métallique ; à la mise au point d’un procédé de fabrication de pales composites, avec le procédé RTM ; à la validation in situ d’un prototype de propulseur de petite taille testé sur un navire de transports de passagers.
Domaine : innovation, recherche collaborative.
Entreprises concernées : constructeurs (industrie navale, énergies marines), éditeurs de logiciels (calcul scientifique, simulation numérique, HPC), bureaux d’études (conception de systèmes de propulsion, de récupération d’énergie)
Technologies/méthodes impliquées : modélisation numérique, calcul scientifique, éléments finis, matériaux composites, carbone époxyde.
Secteurs : constructions mécaniques, ingénierie navale, production d’énergie.
L'expertise technique et scientifique de référence
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Mise en œuvre du projet/actions menées
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1. Contexte-enjeu-objectifs du projet
1.1 Un propulseur « nouvelle génération »
Dans leur grande majorité, les navires civils (paquebots, cargos, bateaux de pêche ou de plaisance, etc.) ou militaires (sous-marins, porte-avions, frégates, etc.) sont munis d’hélices constituées de matériaux métalliques. Ce mode de propulsion est choisi dès le XVIIIe siècle pour équiper les premières machines destinées à naviguer sous l’eau, par exemple la Tortue de l’ingénieur états-unien David Bushnell (1742-1824), mise au point en 1776, et dont la propulsion repose sur une hélice. L’usage de l’hélice à la place des voiles ou des roues à aubes se généralise dans le courant du XIXe siècle quand différents ingénieurs navals adaptent le principe de la vis sans fin à des bateaux et perfectionnent ce mode de propulsion pour les navires comme les torpilles, étudiant de nombreuses formes possibles. Les matériaux métalliques, en particulier le cupro-aluminium, restent privilégiés par les constructeurs navals, car ils possèdent les qualités suivantes :
-
une facilité de fabrication (par moulage) et de réparation (par apport de matière) ;
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une bonne résistance aux efforts mécaniques (en particulier aux impacts), à la corrosion (en particulier de cavitation) et aux salissures.
La conception et l’optimisation de ces éléments centraux du système propulsif ne cessent cependant d’évoluer en raison de l’avènement et l’amélioration de nouveaux procédés de fabrication (comme l’impression 3D), de l’utilisation de nouveaux matériaux (comme les composites) et de la généralisation de méthodes de conception fondées sur la simulation numérique, qui permet de réduire le nombre d’essais en bassin.
Les matériaux composites en particulier offrent des propriétés très intéressantes pour les hélices. Par rapport à un matériau métallique, l’utilisation de composites permet en effet de :
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diviser par deux la masse de l’hélice et d’alléger l’ensemble du système propulsif, ce qui permet de réaliser potentiellement des économies de carburant ;
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réduire les coûts de fabrication d’une production en grande série, ce qui permet d’amortir l’investissement initial de réalisation des moules.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOVIS (A.) - Brève histoire de l’hydrodynamique navale. - In: SIGRIST (J.-F.) et LEBLOND (C.), Interactions fluide-structure – Modèles et méthodes mathématiques pour le génie naval. ISTE (2022).
-
(2) - DUCOIN (A.) - Étude de l’influence du couplage fluide/structure sur les performances hydrodynamiques d’une surface portante. - Thèse de master, École Centrale de Nantes (2005).
-
(3) - DUCOIN (A.) - Étude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique des corps portants en régime transitoire avec prise en compte du couplage fluide structure. - Thèse de doctorat, École Centrale de Nantes (2008).
-
(4) - DUCOIN (A.) - Contributions à l’étude hydro-élastique des pales flexibles sous chargements instationnaires. - Habilitation à diriger les recherches, École Centrale de Nantes (2019).
-
(5) - DUCOIN (A.), DENISET (F.), ASTOLFI (A.), SOYER (V.), SIGRIST (J.F.) - An experimental and numerical investigation...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Bureau Veritas – NI663 : « Propeller in Composite Material », mars 2023.
https://erules.veristar.com/dy/data/bv/pdf/663-NI_2023_03.pdf
Julie DANET, « Plus de courant dans les pales », Sciences Ouest, février 2015.
https://www.espace-sciences.org/sciences-ouest/328/dossier/plus-de-courant-dans-les-pales
Claire MARION, « Une hélice propulsée à l’innovation », Le Télégramme de Brest, 16 mai 2018.
GIE Albatros, « Collaborative project between Méca, Loiretech and Naval Group on optimized propellers made of composite materials ».
https://www.gie-albatros.com/projects/fabheli
Texdata, «12 Composites Innovators to receive a JEC Innovation Award in Seoul », 25 septembre 2019.
https://www.texdata.com/news/Composites/11718.html
Xavier BOUSSION, « À Indret, Naval Group imprime des grosses hélices en métal », Presse Océan, 14 janvier 2021.
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