Hélices marines

1 - Caractéristiques géométriques et hydrodynamiques

• 1.1 - Définition de la géométrie d’une hélice
  Figure 1 - Forme générale d’une hélice Figure 2 - Définition de la géométrie d’une pale Figure 3 - Différentes formes typiques d’hélice à pales orientables de 5 à 6 m de diamètre (doc. kaMeWa, Suède)
• 1.2 - Caractéristiques de fonctionnement d’une hélice
  Figure 4 - Définitions des différentes grandeurs intervenant dans le fonctionnement hydrodynamique d’une section de pale Figure 5 - Courbe de répartition type de la poussée en fonction du rayon Figure 6 - Diverses sources de pertes pour une hélice (4-5 pales, A e /A 0 = 0,5 à 0,7) Figure 7 - Courbes caractéristiques K T , K Q , 0 des hélices B4-70 (Z = 4 pales, A e /A 0 = 0,70), avec en médaillon le contour développé d’une pale (d’après NSMB) Figure 8 - Courbes caractéristiques des hélices B 4-70 en marche arrière (d’après NSMB) Figure 9 - Courbes caractéristiques des hélices B 4-70 pour V 0 et n quelconques (d’après NSMB) Figure 10 - Dispositif pour essais d’hélice en eau libre Figure 11 - Dispositif pour essais d’autopropulsion d’un modèle de navire (T + X = R H)
• 1.3 - Hélice derrière la carène d’un navire
  Figure 12 - Cartes de sillage axial pour divers types de navires
• 1.4 - Hélice optimale
  Figure 13 - Abaques pour le calcul de l’hélice optimale à 4 pales lorsque V, N et F sont donnés Figure 14 - Abaques pour le calcul de l’hélice optimale à 4 pales lorsque V, T et n sont donnés

2 - Propulseurs dérivés de l’hélice

• 2.1 - Hélices à pales orientables
• 2.2 - Hélices sous tuyère
  Figure 15 - Principe de commande de l’orientation des pales d’une hélice à pales orientables  Figure 16 - Courbes caractéristiques K T , K Q ,  des hélices à 3 pales orientables (A e /A 0 = 0,35, d h /D = 0,35) Figure 17 - Principe de l’action d’une tuyère Figure 18 - Courbes caractéristiques des hélices à 4 pales sous tuyère (A e /A 0 = 0,70) (d’après NSMB) Figure 19 - Valeurs de et pour la tuyère de la figure  et une hélice à 4 pales avec A e /A 0 = 0,55 (B4 - 55) et 0,7 (B4 - 70) et un pas P /D variable (d’après NSMB) Figure 20 - Courbes caractéristiques des hélices sous tuyère (figure ) pour V 0 et n quelconques (Z = 4 pales et A e /A 0 = 0,70) Figure 21 - Écoulement schématisé d’une hélice sous tuyère en courant uniforme (schéma tourbillonnaire) Figure 22 - Hélices optimales sous tuyère (figure ) en fonction des paramètres B p et A n (Z = 4 pales et A e /A 0 = 0,55 et 0,70) Figure 23 - Comparaison d’hélices isolées et d’hélices sous tuyère optimales en fonction de C Tt
• 2.3 - Propulseurs non conventionnels

3 - Cavitation

• 3.1 - Considérations théoriques
  Figure 24 - Différents types de cavitation d’un profil cambré ou non en fonction de l’incidence et de l’épaisseur relative e max /C Figure 25 - Domaines de cavitation pour un profil cambré (C Lc = 0,2) ou non (C Lc = 0) et pour deux épaisseurs de section e max /C = 0,06 et 0,09 Figure 26 - Divers types d’apparition de la cavitation en fonction de J 0 et (Z = 4 pales, P /D = 1 et A e /A 0 = 0,85) Figure 27 - Caractéristiques d’une hélice à 4 pales (P /D = 1,2 et A e /A 0 = 0,85) en fonction du nombre de cavitation
• 3.2 - Hélices supercavitantes
  Figure 28 - Évolution de la cavitation en fonction de la position angulaire de la pale (navire à une ligne d’arbres) Figure 29 - Cavitation par lame au bord d’attaque et tourbillons hélicoïdaux d’une hélice placée devant un gouvernail (cliché Bassin des Carènes) Figure 30 - Caractéristiques d’une hélice supercavitante en fonction du nombre de cavitation Figure 31 - Section d’une pale d’une hélice supercavitante
• 3.3 - Tunnels de cavitation
  Figure 32 - Plan de principe du grand tunnel de cavitation du Bassin d’essais des Carènes de Paris

4 - Excitations des vibrations de navire par les hélices

• 4.1 - Excitations des vibrations transmises par la ligne d’arbres
  Figure 33 - Courbe moyenne pour représenter au mieux dT /dr Figure 34 - Coefficient d’affaiblissement pour le calcul de , p étant le rang de l’harmonique
• 4.2 - Excitations des vibrations de coque engendrées par les fluctuations de pression de l’hélice
  Figure 35 - Composition des vitesses dans le cas d’un sillage tangentiel variable Figure 36 - Fluctuations de pression sur la coque : notations Figure 37 - Fluctuations de pression sur une plaque plane à différentes distances de l’axe d’une hélice à 5 pales (premier harmonique f = nZ ) Figure 38 - Influence du nombre de pales Z sur les fluctuations de pression (X /R 0 = 0,5, R /R 0 = 1,4 et premier harmonique f = nZ ) Figure 39 - Exemple d’enregistrement de fluctuations de pression
• 4.3 - Remèdes pour minimiser les excitations des vibrations
  Figure 40 - Illustration de l’influence du devers sur les fluctuations de poussée (Z = 5) Figure 41 - Influence du devers de l’hélice sur les excitations par la ligne d’arbres (P /D = 1 et A e /A 0 = 0,6) Figure 42 - Demi-amplitude des fluctuations de pression maximale sur la coque d’un cargo en fonction du devers (Z = 4) Figure 43 - Forme arrière de la carène donnant peu d’excitations de la part de l’hélice (jeux minima recommandés)

5 - Projet d’hélice

• 5.1 - Données de départ
• 5.2 - Différentes étapes du calcul
  Figure 45 - Couplage hélice/moteur diesel pour une loi des résistances R (V ) du navire Figure 46 - Répartition des pressions sur le dos (avant) d’une pale d’hélice Figure 47 - Contraintes calculées sur la face d’une hélice (en daN /mm2)

6 - Fabrication des hélices

• 6.1 - Matériaux pour hélices
• 6.2 - Fonte des hélices
• 6.3 - Usinage des pales
• 6.4 - Contrôle des pales. Tolérances
• 6.5 - Contraintes admissibles dans les pales
  Figure 48 - Principe du dispositif de contrôle des pales Figure 49 - Contrainte à 0,30 R 0 et e max sur la face d’une pale en fonction de sa position angulaire (exemple du sillage d’un gros pétrolier à une ligne d’arbres figure ) Figure 50 - Exemple de courbe de fatigue d’un bronze Al-Mn Figure 51 - Relation entre la contrainte moyenne admissible et la contrainte fluctuante sous corrosion pour 108 cycles (à titre indicatif, pour le bronze Al-Mn, compte tenu d’un coefficient de sécurité)

7 - Entretien des hélices

• 7.1 - Diverses causes de détérioration des hélices
• 7.2 - Opérations d’entretien

8 - Bruit d’hélice et vibrations des pales

• 8.1 - Bruits d’hélice (bruit propre, bruit rayonné)
  Figure 52 - Courbe type de bruit rayonné par un navire Figure 53 - Variation de l’amplitude dans le plan de l’hélice du champ de pression en fonction de la distance à une hélice à 4 pales placée dans le sillage d’un navire
• 8.2 - Réduction des bruits d’hélice
• 8.3 - Vibrations des pales
  Figure 54 - Exemples de modes de vibrations de pales d’hélice ( = 1,30 m) dans l’air 
• 8.4 - Chant des hélices

9 - Annexe : théorie tourbillonnaire de l’hélice

• 9.1 - Approximation de la ligne portante
  Figure 55 - Schéma tourbillonnaire de l’hélice Figure 56 - Système de tourbillons élémentaires équivalent aux tourbillons liés et libres d’une hélice à nombre de pales infini Figure 57 - Coefficients de Goldstein pour les hélices à 4 et 5 pales Figure 58 - Composition des vitesses dans le plan de l’hélice
• 9.2 - Calcul par la surface portante
  Figure 59 - Schéma de maillage d’une pale
• 9.3 - Théorie de l’actuator
  Figure 60 - Théorie de l’actuator : évolution de la vitesse axiale U a et de la pression p