Hélice

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Théorie thermodynamique de l'hélice

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Généralités sur les sciences appliquées et les techniques, section CDU/6/60

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Hélice de navire

La théorie de l'hélice propulsive a été développée dès l'apparition des machines à vapeur grâce aux travaux de Bernoulli développés par Euler puis par Morosi et Bidone [1] qui démontrent que la force du jet est le résultat d'une percussion dont la force est comme 1.84 est à 1. Cependant la théorie a longtemps piétiné et les formules obtenues par approximations successives sont complexes. Ce n'est qu'après le développement de la théorie de la mécanique des fluides, de la thermodynamique et de la mécanique physique, que l'on a pu obtenir des expressions mathématiques simples.

Caractéristiques des hélices marines[modifier | modifier le wikitexte]

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, mais ceci conduirait à des erreurs d'interprétation sur le fonctionnement de l'hélice. Le pas est exprimé en pouces ou en mètres. 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 : D'un point de vue thermodynamique, le recul correspond à une perte d'énergie dans l'impact de l'eau avec l'hélice. On parle d' entropie ou d'augmentation du désordre. La vitesse de propulsion de l'eau est inférieure d'un certain pourcentage à celle attendue. Ce pourcentage 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 telles conditions d'avancement et de rotation.
    Le recul est important à faible vitesse et forte poussée, il 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 bar 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). À 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 diminuer les risques de cavitation ; le passage des pales en surface nettoie l'hélice des bulles de vapeur d'eau.

Théorie élémentaire avec l'eau pour fluide[modifier | modifier le wikitexte]

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 :

S_1, S_2 \; en m², et V_1, V_2 \; en mètres par seconde.

Le volume d'eau aspiré à chaque seconde est un cylindre de surface S1 et de longueur V1.

M = \rho S_1 V_1 = \rho S_2 V_2 \; ; où \rho \; est la 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)/dt ; 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. (théorème fondamentale de la dynamique: F=ma=mv/dt en kg.m/s²)

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.

Courbe P%(V1/V2):
courbe P%(V1/V2)
La puissance 1,200 (120%) s'explique par le fait que l'eau possède une énergie entrante.

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 % à la puissance maximale.

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 | modifier le wikitexte]

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Notes et références[modifier | modifier le wikitexte]

  1. « Les expériences De Morosi et Bidone ont prouvé par les faits matériels les doctrines d'Euler et de Bernoulli. »
    Bidone a fait des études très poussées sur les jets. ces expériences sont décrites en français dans Memorie della Reale accademia delle scienze di Torino
    Pour plus de détails : Hélice marine
  2. L'application de cette théorie avec un moteur de 75 CV turbo sur une goélette de 15 tonnes a donné lieu à publication: Inverseurs et hélices

Liens externes[modifier | modifier le wikitexte]

Memorie della Reale accademia delle scienze di Torino : Morosi et Bidone Pages 1 à 191 notamment §4 (Page 134)