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"ce n'est absolument pas mon domaine et que je n'ai aucun bouquin de référence" !!! Donc, tu demandes aux autres de faire le boulot et tu te contentes, tranquille, de contester !... Décidemment, Wikipedia m'étonnera toujours... --Alcide Talon blabla ? 9 mars 2011 à 21:51 (CET)
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- D > D > D > D > D. Le reste est sans intérêt, et milite pour le maintien de petits privilèges de la caste. L'acharnement [...] concernant quelques articles récents comme Anne Lauvergeon, Hirsch et bien d'autres, ainsi que le traitement réservé à certains contributeurs laisse grandement à penser que certains pas là pour contribuer sereinement, mais pour faire avancer leurs partis pris sur des articles concernant leurs thèmes de prédilection, au besoin en écartant les fâcheux à coup de blocage et/ou de CU et en n'hésitant pas à recourir à leur outils d'admins pour ce faire… Gars d'ain (d) 7 juin 2011 à 18:39 (CEST)
Caractéristiques [modifier]
Définitions :
* Le diamètre, donné en pouce par le fabricant. Il est transformé en mètres pour les calculs. * Le pas de construction est une caractéristique géométrique de l'hélice. C'est la longueur d'avance théorique pour un tour, sans glissement (recul = 0). Le pas de l'hélice pourrait ainsi être comparé au pas d'une vis à métaux, ceci conduit à des erreurs d'interprétation sur le fonctionnement de l'hélice. Le pas est exprimé en pouces ou en mètre. Le pas peut être à gauche ou à droite. * Le coefficient de remplissage (0,xx ou xx %), ce coefficient caractérise la surface relative des pales par rapport à la surface d'un disque de même diamètre. Ce coefficient est important pour estimer la limite de l'effort d'aspiration applicable sur la surface des pales afin d'éviter la cavitation. Ce coefficient n'intervient pas dans nos calculs ci après. * Le calage est l'angle que fait la corde d'un profil de pale avec le plan de rotation de l'hélice * Le recul. La vitesse de propulsion de l'eau est inférieure d'un certain pourcentage à celle attendue par les calculs. Ce pourcentage est dû à ce qui est communément appelé le recul. Ainsi, pour résoudre les problèmes de calcul on pourrait dire que le pas effectif de l'hélice est inférieur au pas de construction. On définit la notion de recul par la relation suivante :
recul = 1 - (pas effectif / pas de construction) dans des conditions de vitesse d'avancement du navire et de rotation de l'hélice.
Le coefficient de recul s'exprime souvent en pourcentage, par exemple 28 % au lieu de 0.28 dans telle conditions d'avancement et de rotation.
Le recul est important à faible vitesse et forte poussée. Le recul augmente avec la force de poussée sur l'hélice : avec le débit et la vitesse de rotation.
* La cavitation. La dépression à l'extrados du profil de pale dépend de la vitesse de rotation de l'hélice, de son pas, et du profil. La dépression est limitée par la pression atmosphérique; elle ne peut pas descendre en dessous d'environ 1 Kg par cm² en surface (la vitesse ne doit pas dépasser 14 m/s); au delà de cette valeur l'eau se transforme en vapeur (phénomène de cavitation). A un mètre de profondeur cette vitesse limite serait d'environ 14,7 mètres/seconde.
Cette notion est très importante pour les navires rapides mais intervient rarement pour un voilier monocoque dont on s'arrange pour que la vitesse d'aspiration de l'eau soit largement inférieure à 14 mètres/seconde, les héliciers choisissent toujours le plus grand diamètre compatible.
Depuis quelques années, sont apparues les hélices de surface qui permettent de pallier les problèmes de cavitation ; le passage des pales en surface nettoie l'hélice des bulles de vapeur d'eau.
Théorie élémentaire [modifier]
La propulsion est due à la différence de quantité de mouvement entre la masse d'eau entrante et sortante de l'hélice. Flux hélice
1 - La masse d'eau aspirée par seconde est égale à la masse d'eau propulsée :
S1, S2 en m², et V1, V2 en mètres par seconde.
Le volume d'eau aspiré à chaque seconde est un cylindre de surface S1 et de longueur V1.
M = r S1 V1 = r S2 V2 ; où r = masse volumique de l'eau en kg par mètre cube.
Posons M = r S Vp; nous faisons ainsi abstraction de la surface de l'hélice.
(Vp est la vitesse de l'eau qui traverse l'hélice, et M est la masse de l'eau qui traverse l'hélice par seconde.)
2 - La force propulsive dépend de la différence de vitesse de la masse d'eau aspirée et la masse d'eau propulsée :
(action = réaction ; la force qui permet l'accélération de la masse d'eau trouve son appui sur l'hélice !)
F = M (V2 - V1) ; Dans notre système métrique, F s'exprime en Newton (un Kilogramme-force = 9,81 Newton), M est la masse d'eau traversant l'hélice en kg (kilogramme masse), V2 et V1 s'expriment en mètres par seconde.
3 - Puissance nécessaire à la propulsion :
Elle est le produit de la force de propulsion F définie en (2) par la vitesse Vp de la masse d'eau définie en (1)
P = F Vp = M (V2 - V1) Vp
Cette puissance est aussi égale à la puissance de la masse d'eau propulsée par l'hélice, moins la puissance de la masse d'eau entrante:
P = M (V2² - V1²) / 2 = M ( V2 - V1) (V2 + V1) / 2
Il y a décrochage pour V2 = V1 (pas de force propulsive), ce qui semble évident !
On en déduit Vp :
Vp = (V2 + V1) / 2
et :
V2 = 2Vp -V1
4 - Variation (dérivée) de la puissance moteur par rapport à V1, pour une propulsion V2 constante :
dP/dV1= ( r S / 4) ( V2 - 3V1) (V2 + V1) = r S Vp (Vp-2 V1)
La variation de la puissance est nulle pour V2 = 3 V1, ou Vp = 2 V1 ; la puissance moteur atteint alors sa puissance optimale.
V1 = V2 /3 = Vp /2 définit la vitesse d'avancement optimale du navire pour une puissance optimale du moteur. (On suppose ici qu'il n'y a pas de traînée de frottement; pas d'effet d'entraînement de l'eau pas les œuvres vives; vitesse du navire = V1 vitesse de l'eau devant l'hélice)
On choisira une vitesse de propulsion de l'hélice Vp telle que V2 soit égale à trois fois la vitesse V1 d'avancement estimée du navire à la puissance optimale. La puissance optimale est à distinguer de la puissance maximale !
Définition de Vpoptimale : Vpoptimale = Vhelice * (1-Recul) = 2 * V1 à la puissance optimale du moteur.
Affichage de la courbe P%(V1/V2) courbe P%(V1/V2)
5 - Récapitulons les expressions précédentes en nous affranchissant de V2 :
Puissance à fournir par le moteur :
Pmoteur = ( r S / 4) ( V2 - V1) (V2 + V1)²
En remplaçant V2 par 2Vp - V1 :
Pmoteur = 2 r S Vp² (Vp-V1)
Puissance utile à l'avancement du navire :
Putile = F *V1 = M ( V2 - V1) V1 = r S Vp ( V2 - V1) V1
Putile = ( r S / 2) ( V2 + V1) ( V2 - V1) V1
En remplaçant V2 par 2Vp - V1 :
Putile = 2 r S Vp (Vp-V1) V1
Force propulsive :
F = M ( V2 - V1) = r S Vp ( V2 - V1)
F = M ( Vp- V1) est la force d'aspiration due à la dépression devant l'hélice
F = M ( V2 - Vp) est la force de pression derrière l'hélice
En remplaçant V2 par 2Vp - V1 :
Force propulsive = 2 r S Vp ( Vp - V1)
Fasp = r S Vp ( Vp - V1) est la force d'aspiration due à la dépression devant l'hélice, elle est égale à la moitié de la force de propulsion, l'autre moité est fournie par la force de pression.
r Vp ( Vp - V1) est la valeur de la dépression devant l'hélice , et également la valeur de la pression du côté refoulement de l'hélice. La valeur de la dépression doit être inférieure à la pression locale qui vaut rgh+101500 où g = 9,81, h est la hauteur d'eau en mètres et 101500 est la pression atmosphérique moyenne: 1015 hpa.
La valeur 2 r Vp ( Vp - V1) ne doit pas dépasser une valeur précisée par le constructeur de l'hélice. (Elle ne doit pas dépasser 1,2 kg/cm² pour l'hélice 3 pales RADICE E13)
Rendement :
Puissance utile / Puissance fournie par le moteur
Rendement = V1 / Vp
La consommation de carburant sera d'autant plus faible que la vitesse de propulsion s'approchera de la vitesse de déplacement V1 du navire c'est à dire Vp s'approchant de V1 (Vp > V1) !
Conclusion :
Le calcul du pas de l'hélice dépend de la vitesse d'avancement du navire estimée à la puissance optimale; elle doit être calculée de telle sorte que la vitesse de propulsion Vp se situe autour de 2 fois cette vitesse d'avancement, le rendement (puissance utile / puissance fournie) est alors de 50 %.
Lorsque cette condition est remplie il faut vérifier que le moteur produise encore une force satisfaisante en statique !
Résumé :
Force propulsive, puissances et rendement :
Force propulsive = 2 r S Vp ( Vp - V1)
Putile = 2 r S Vp (Vp-V1) V1
Pmoteur = 2 r S Vp² (Vp-V1)
Rendement = V1/Vp
Système métrique utilisé :
r = 1000 kg/mètre cube ; pour l'eau douce (une tonne par mètre cube).
S = 3,14 * D²/4 ; en mètre carré.
V1 ; vitesse d'entrée de l'eau dans l'hélice en mètres par seconde.
Vp = Vh (1-Recul) ; vitesse de propulsion dans l'hélice, en mètres par seconde, où Vh = Pas (en mètres) * tours/seconde de l'hélice, et Recul selon les conditions de navigation.
Voir aussi [modifier]
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L'hélice est le moyen de propulsion le plus courant pour déplacer un bateau ou un sous-marin. L'application de la propulsion des navires par l'hélice est attribuée à Francis Pettit Smith, John Ericsson et l'ingénieur français Frédéric Sauvage[réf. nécessaire].
Contrairement à une idée reçue, les hélices modernes ne se comportent pas comme des vis ; la vitesse de propulsion de l'eau est supérieure à la vitesse que donnerait le produit du pas par le nombre de tours/seconde.
Les premières hélices pensées comme une vis étaient longues et avaient un très mauvais rendement car la vitesse de propulsion de l'eau à l'arrière de l'hélice était limitée à la valeur du pas.
La fonction de l'hélice est de mettre une masse d'eau en mouvement afin de créer une force pour tirer ou pousser une charge, ou pour faire avancer un navire.
Selon sa fonction principale, l'hélice sera grande et tournera lentement pour produire une force, ou petite et rapide pour un hors-bord qui a besoin de puissance.
Selon leur usage le nombre de pales et les formes seront différentes.
- Les hélices à deux pales fixes ou en bec de canard sont utilisées sur des petits voiliers, afin de limiter la traînée lorsque le moteur est à l'arrêt. Le coefficient de remplissage de ces hélices est volontairement réduit à son minimum mais doit supporter l'effort.
- Les hélices à trois pales sont les plus courantes sur les unités moyennes ont un bon rendement en statique (force) et en dynamique (puissance). C'est un bon compromis force/puissance. On les utilise couramment sur les voiliers et les bateaux à moteur. Les voiliers sont parfois équipés d'hélices à trois pales orientables qui permettent de modifier le pas, elles se mettent en drapeau lorsque le moteur est à l'arrêt afin de réduire la traînée.
- Les hélices à quatre pales ont à peu près les mêmes caractéristiques que les hélices à trois pales à coefficient de remplissage égal. Elles ont l'avantage d'être mieux équilibrées et sont moins bruyantes, l'effet de résonance de l'hélice est diminué.
- Les hélices à cinq pales sont principalement utilisées sur les gros navires et sous-marins.
- Les hélices de surface sont utilisées par les vedettes rapides. L'hélice peut tourner très rapidement à la surface de l'eau, car l'effet de cavitation est réduit.
- Les hélices sabre sont principalement utilisées par les navires et sous marins travaillant par petits fonds, afin d'éviter que l'hélice ne se prenne dans la végétation.
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Dès 1855 tous les ingrédients étaient présents pour comprendre le fonctionnement des hélices marines:
Dans son ouvrage intitulé L'Hélice Propulsive, édition de 1855, E. Paris[1] décrit les péripéties de l'évolution des hélices marines. Cependant il restait une incompréhension totale pour le calcul des hélices en raison de la conception mentale de l'hélice en tire-bouchon (ou comme une vis). Cette notion perdure encore aujourd'hui.
Premier ingrédient, Page 28 de l'ouvrage de E. PARIS: Le propulseur, ayant éprouvé un choc, fut brisé jusqu'à la moitié de sa longueur, et donna aussitôt de meilleurs résultats.
CHAPITRE II - INTRODUCTION PRATIQUE DE L'HÉLICE PROPULSIVE.
- « Dans ce chapitre, je me propose de présenter les incidents les plus importants de l'introduction de l'hélice comme propulseur. Ils commencent à l'époque où F.-P. Smith et le capitaine Ericsson s'en occupèrent. Après m'être occupé des inventions pour faire marcher les navires par l'hélice, qui n'ont produit aucun résultat utile, j'ai maintenant à rendre compte de la manière dont ce propulseur a été introduit dans la pratique. »
- « En 1835, F.-P. Smith, fermier à Hendon, dirigea de ce côté son attention. Au printemps de 1836, il obtint le concours de M. Wright, banquier, et on lui accorda un brevet le 3l Mai 1836. Un bateau-modèle fut alors pourvu d'une hélice en bois, et mis en mouvement sur un étang, à Hendon, et à la galerie Adélaïde, à Londres. Il y fut examiné par sir John Barrow, alors secrétaire de l'amirauté, et par MM. Harris et Bell, d'Alexandrie, qui offrirent d'acheter l'invention pour le pacha d'Egypte, mais cette proposition fut refusée. »
- « Les résultats furent si satisfaisants, que M. Smith et ses amis construisirent un bateau de six tonneaux, auquel ils mirent une hélice en bois de deux tours : le 1er Novembre 1836, ce bateau marcha sur le canal Paddington et continua à naviguer sur la Tamise jusqu'au mois de Septembre 1837. Le propulseur, ayant éprouvé un choc, fut brisé jusqu'à la moitié de sa longueur, et donna aussitôt de meilleurs résultats : ce qui fit exécuter une nouvelle hélice d'un seul pas. »
C'est donc en septembre 1837 que l'évènement s'est produit et qui a été un tournant dans la propulsion maritime par hélice.
Deuxième ingrédient Page 41 de l'ouvrage de E. PARIS: Bidone a trouvé que le choc soudain d'un jet sur une surface est, quand il est permanent, comme 1.84 est à 1
CHAPITRE III - PRINCIPES SCIENTIFIQUES RELATIFS AUX NAVIRES A HELICE
- « ... Car l'eau s'échappant d'un réservoir a la même vitesse qu'un corps solide tombant librement de la surface supérieure du réservoir au niveau de la sortie, et, par les lois des corps tombants, la vitesse finale est au juste double de la vitesse moyenne : il est donc clair qu'un jet sortant horizontalement, après avoir acquis le maximum de vitesse due à la hauteur de la colonne, franchira une distance égale à deux fois celle qu'un corps parcourrait en descendant de la surface supérieure à celle de l'orifice. De là Bernouilli inférait que la pression hydraulique accumulée, par laquelle une veine est projetée par un orifice, dans le côté d'un vase, est égale à la colonne du fluide ayant pour base la section de la veine et pour hauteur deux fois la chute capable de produire la vitesse d'écoulement. »
- « La théorie de Bernouilli fut adoptée et développée par Euler qui donne une formule pour l'effet de la percussion d'un jet d'eau sur une surface plane. Soient R, la force d'impulsion avec une percussion permanente; A, l'aire de la veine : H, la hauteur due à la vitesse du jet ; N, la hauteur due à la vitesse de l'eau reflétée ; Φ l'angle de l'eau reflétée avec l'axe. »
- « Alors R=2aH(1-(√h/√H)cos Φ). Les expériences de Morosi et de Bidone ont prouvé par des faits matériels les doctrines d'Euler et de Bernouilli à ce sujet. Euler dit que la valeur théorique de la percussion d'une veine fluide, peut augmenter jusqu'à ce qu'elle soit égale au poids d'une colonne de fluide de la même base que la section de la veine et d'une hauteur quatre fois plus grande que celle due à la vitesse de la veine. Bidone a trouvé que le choc soudain d'un jet sur une surface est, quand il est permanent, comme 1.84 est à 1 ; mais cet effet peut être en partie attribué au mouvement acquis par les parties de l'instrument destiné à mesurer la force de percussion. »
Chronologie
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Toujours d'après E. PARIS :
- 1752 : Daniel Bernoulli obtient le prix de l'Académie française, pour mouvoir les navires sans la force du vent ; il proposa quelque chose d'analogue aux ailes des moulins à vent, appliquées sur les cotés du navire ; ses roues avaient six pieds de diamètre et elles étaient complètement plongées.
Prises de brevets:
- 1754 : William Emerson (Roues à ailes obliques)
- 1768 : M. Paucton (Vis d'Archimède)
- 1776 : La Tortue de David Bushnell est un sous-marin mû par des hélices
- 1785 : Joseph Bramah (Roues à aubes obliques avec arbre entrant dans le navire au travers d'une boite à étoupe)
- 1794 : Edward Shorter (Sorte de godille, huit hommes au cabestan obtinrent 1 nœud et demi sur le Doncaster)
- 1803 : Charles Dallery obtient un brevet pour une hélice formant deux pas ; une hélice à l'avant et une à l'arrière.
- 1804 : John Stevens Américain (aile de moulin)
- 1816 : Robertson Buchanan mentionne dans un de ses ouvrages des essais faits avec une hélice.
- 1823 : Le Capitaine Delisle présente au ministre de la marine en juin 1823 un mémoire pour un hélice submergée dont la partie centrale était vide.
- 1824 :
- Un mémoire de Marestier, Ingénieur de la marine sur les navires à vapeur d'Amérique, propose une hélice de plusieurs filets dans un tube faisant la longueur du navire.
- M. Bourdon (Hélice à pas croissant)
- 1827 : Thomas Tredgold, dans son Traité de la machine à vapeur, explique l'inconvénient des hélices à plusieurs pas ; ses expériences montrent qu'un deuxième pas n'a que très peu d'action.
- 1829 : Charles Cummerow (Hélice placée dans le massif arrière et à un seul filet, gouvernail derrière l'étambot)
- ...
- 1836 : John Ericsson prend le 13 juillet une patente pour un nouveau propulseur formant deux anneaux minces, sortes de cylindres très courts et portant des portions de spirales dans le genre de l'hélice de Delisle. Ce propulseur eut beaucoup de succès et a été le premier employé en France et en Amérique.
Autres prises de brevets entre 1836 et 1844, selon E. PARIS:
- ... James LOWE, Joseph TAYLOR, Frédérick E. FRAISINET, Capitaine SMITH, Peter TAYLOR, John COOPE HADDAN, Georges RENNIE, George HUNT, Capitaine CARPENTIER, MILLES BERRY, Henry WIMSHURTS, George BAXLAND, David NAPIER, William JOEST, Benjamin BIRAM, James HAMER, Comte De DUNDONALD, Thomas SUNDERLAND, Robert WALKER, Elijan GALLOWAY, Joseph MAUDSLAY, Henry DAVIES, Robert HODGSON.
- 1844 : Bennet Woodcroft invente un procédé de changer à volonté l'angle des ailes.
Autres prises de brevets, suite:
- William FAIRBAIRN, Christopher HAYS, J. BODMER, Frédéric ROSENBORG, George READON Commander, Charles FORRET, Thomas OXLEY, Stephen PARKHURST, Christopher HAYS, John PENN. PARMI, Samuel SEAWARD, Joseph MAUDSLAY, Peter TAYLOR, THOMSON et WRIGHT, John Samuel TEMPLETON, James MONTGOMERY, John BUCHANAN, William HENDWOOD, Conrad H. GREENHOW, John MACINTOSH, Sir Samuel BROWN, Gardiner STOW (New York),
- ...
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