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Auteur(s)
-
Max AUCHER : Ingénieur Général de l’Armement - Ancien Directeur du Bassin d’Essais des Carènes de Paris
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L’utilisation de l’hélice pour la propulsion des navires a vu le jour dans la première moitié du 19 e siècle lorsque les machines à vapeur alternatives eurent atteint un degré de fiabilité et un rendement acceptables pour pouvoir concurrencer les bateaux à voiles pour lesquels l’énergie du vent était gratuite. Ce n’est que dans la deuxième moitié du 19 e siècle que l’hélice l’emporta définitivement sur les voiles et les roues à aubes, ces dernières n’étant plus guère utilisées de nos jours que dans quelques cas pour la navigation intérieure dans un but plutôt touristique.
Plusieurs pays revendiquent la paternité de l’invention de l’hélice dans les années 1830. Côté français, l’inventeur de l’hélice est Frédéric Sauvage dont le brevet a été déposé en 1832.
Les premières hélices n’étaient ni plus ni moins qu’une vis d’Archimède à deux filets dont la longueur était égale au pas géométrique. Le commandant d’un navire qui avait vu son hélice réduite accidentellement à la moitié de sa longueur constata, non sans surprise, que la vitesse de son navire en était augmentée. Ainsi, par modifications successives de la forme des pales et de leur nombre résultant d’essais sur modèles et sur bateaux réels, l’hélice aboutit aux formes actuelles. Sauf pour des applications spéciales, l’hélice est l’organe propulsif de presque la totalité des bateaux depuis le petit bateau de plaisance motorisé jusqu’aux énormes pétroliers de plusieurs centaines de milliers de tonnes.
De nombreux essais d’hélices modèles ont permis de définir leurs caractéristiques hydrodynamiques (poussée, rendement) en fonction du nombre et de la géométrie des pales. Ces résultats, publiés sous forme de courbes, permettent de définir rapidement la géométrie des hélices répondant en première approximation à des spécifications données.
Deux problèmes importants font encore aujourd’hui l’objet de nombreuses recherches destinées à améliorer les performances des hélices : la cavitation et les vibrations de navires induites par le fonctionnement de l’hélice. Le développement de l’hydrodynamique appliquée aux hélices et des calculateurs de plus en plus puissants permet d’aborder ces deux problèmes d’une façon plus rationnelle et de définir les tracés d’hélices donnant le meilleur compromis entre diverses contraintes (rendement, cavitation, vibration, tenue mécanique, etc.). C’est ce que nous allons plus particulièrement développer dans cet article.
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Caractéristiques géométriques et hydrodynamiques
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9. Annexe : théorie tourbillonnaire de l’hélice
La théorie tourbillonnaire de l’hélice [2] [5] [7] [8] est l’extrapolation de la théorie de l’aile portante d’envergure limitée au cas où l’aile est animée, en plus de son mouvement de translation, d’un mouvement de rotation autour d’un axe parallèle à la vitesse. Dans le cas de l’hélice, les tourbillons liés à la surface de la pale rentrent ou s’échappent de celle-ci (figure 55) pour former des tourbillons libres allant jusqu’à l’infini aval selon une trajectoire hélicoïdale de pas 2πr tan βi .
La figure 56a représente 4 tourbillons d’intensité γ s’échappant d’une hélice à 4 pales après être rentrés dans les pales dans l’axe de l’hélice (pour simplifier). L’ensemble de ces 4 tourbillons induisent des vitesses axiales et tangentielles dans le plan de l’hélice, par application de la formule de Biot-Savart.
9.1 Approximation de la ligne portante
L’approximation de la ligne portante consiste à supposer les pales droites et de largeur très faible. L’intensité de ces tourbillons (circulation) est γ (r ) = dΓ/dr.
Si le nombre Z de pales était infini, la figure 56a pourrait être remplacée par une suite d’anneaux tourbillonnaires (figure 56b ) équivalente à un demi-solénoïde et une infinité de tourbillons parallèles à l’axe de l’hélice (figure 56c ).
Considérons un cercle
de rayon r centré sur l’axe de l’hélice et à l’intérieur du solénoïde. La circulation 2πr U t (U t vitesse tangentielle) est égale à la somme des intensités des tourbillons traversant ce cercle, c’est‐à‐dire Zγ (r ’) dans le cas de la figure 56a. Si, dans le cas plus général de l’hélice, on considère tous les tourbillons traversant le cercle
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Annexe : théorie tourbillonnaire de l’hélice
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VAN LAMMEREN (P.A.), VAN MANEN (J.D.), OOSTERVELD (M.W.) - The wageningen B-screw series. - Society of Naval Architects and Marine Engineers (NSMB), 1969.
-
(2) - CARLTON (J.S.) - Marine Propellers and Propulsion. - Butterworth Heineman Ltd, 1994.
-
(3) - KUIPER (J.) - The wageningen propeller series (caractéristiques d’hélices et d’hélices sous tuyère, plus disquette donnant le développement en série des caractéristiques des hélices citées dans le livre). - Marin Software Engineering Dept, mai 1992.
-
(4) - Bureau Veritas - Building and operations of vibrations free propulsion plant and ships (construction et solutions pour supprimer les vibrations des navires dues à la propulsion), - NR. 207 - SMSE, 1987.
-
(5) - Proceedings of ITTC : - Comptes-rendus des Conférences Internationales des Bassins de Carènes. L’International Towing Tank Conference (ITTC) comprend entre autres un comité hélice et un comité cavitation dont les rapports (tous les 3 ans) font la synthèse des travaux effectués...
ANNEXES
(liste non exhaustive)
Renou-Dardel SA.
Helicia SA.
Alstom Marine http://www.marine.alstom.com
Alstom Power Conversion http://www.powerconv.alstom.com
Moteurs Baudouin http://www.moteurs-baudouin.fr
France Hélices http://www.francehelices.fr
Rolls-Royce http://www.rolls-royce.com
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