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Auteur(s)
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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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Projet d’hélice
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4. Excitations des vibrations de navire par les hélices
L’augmentation des dimensions et du tonnage des cargos et des pétroliers, ou de la vitesse des navires porte-conteneurs et des vedettes rapides, a conduit à l’accroissement de la puissance installée à bord et corrélativement à l’accroissement du niveau des excitations de vibrations engendrées par les moteurs et hélices. De plus, le développement des programmes de calcul de la fatigue des charpentes par la méthode des éléments finis a conduit à des allégements de structure et par là-même à l’abaissement des fréquences propres de vibrations dont les plus basses peuvent se situer dans la gamme de celle des excitations dues à l’hélice.
Ces phénomènes vibratoires sont dangereux pour la charpente de coque, gênants pour le personnel et le fonctionnement de certains appareils. Il est donc important entre autres, de pouvoir situer les causes d’excitation de vibrations par l’hélice afin de mieux pouvoir y remédier.
On peut distinguer deux sources d’excitations de vibrations par l’hélice :
-
par transmission par la ligne d’arbres sur les paliers et la butée des efforts fluctuants sur les pales lorsque celles-ci opèrent dans un sillage très variable ;
-
par les fluctuations de pression sur la coque arrière lorsqu’une pale, en position haute, passe précisément au voisinage de la coque.
Le même effet est également produit par la cavitation. De nombreux détails sur les développements théoriques suivants existent dans l’ouvrage du Bureau Veritas [4].
4.1 Excitations des vibrations transmises par la ligne d’arbres
4.1.1 Excitations de poussée transmises à la coque par la butée
Les variations de poussée de la ligne d’arbres de l’hélice sont transmises à la charpente du navire par la butée, alors que les efforts normaux à la ligne d’arbres sont transmis par les paliers.
Les calculs théoriques des efforts fluctuants sur les pales d’hélice conduisent à une formulation assez complexe. Ces efforts, bien que pouvant être importants, sont dus aux harmoniques du sillage ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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 MarineAlstom Power ConversionMoteurs Baudouinhttp://www.moteurs-baudouin.fr
DCNFrance HélicesRolls-Royce HAUT DE PAGE
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