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Les hélices marines Introduction : – Nombreuses applications (transport, énergi

Les hélices marines Introduction : – Nombreuses applications (transport, énergie, propulsion). – Origine obscure ( France, Suisse et même les États-Unis). – Multitudes de formes d'hélices. A quoi cela est-ce du ? L'usage détermine-t-il la forme ? Nous tenterons donc de mettre en lumière cet aspect. Illustration 1: Modélisation d'une hélice Sommaire I) Comment fonctionne une hélice ? 1)Vocabulaire de base 2)Approche théorique de l'hélice 3)Problèmes des hélices II) Étude pratique d'une hélice 1)Étapes de modélisation 2)Modélisation d'une hélice de porte-conteneurs 3) Réaction de notre hélice à quelques variations 1 Conclusion I)1) Vocabulaire de base : • dos et face travaillante . • L'angle de rake ( : calage) Illustration 2: Schéma de l'angle de calage • Le pas : H =2∙π ∙R∙tan(φ) avec : H le pas (en m) R le rayon de l'hélice (en m) φ le calage (en rad) • pas effectif et le recul : Recul=1−pas réel H . Illustration 3: Schéma illustrant le pas Remarque : on peut utiliser le vocabulaire des ailes d'avion pour les pales, leur 2 fonctionnement étant similaire. I)2)Approche théorique de l'hélice : • Bilan énergétique Les hypothèses : • fluide non visqueux. • accélération uniforme pour la masse de fluide • flux illimité. Dessin 1: Schéma illustrant les hypothèses T=Q∙(V 2−V 1) Avec • T : la poussée (en N) • Q : le débit massique d’eau traversant l’hélice (en kg/s) • V1 : vitesse en amont (en m/s) • V2 : vitesse en aval (en m/s) On a, de plus, • La puissance utile : Pu=T ∙V 1 • La puissance disponible : P=1 2 Q(V 2 2−V 1 2) On en déduit alors le rendement : η= puissanceutile puissancedisponible = 2 1+V 2 V 1 • Corrections En réalité, à cause du glissement : V li=0,6⋅V théo De plus, les propriétés aérodynamiques imposent : 1,24√L⩽V li⩽1,39√L avec : L, longueur du navire (en m) 3 V1 V2 hélice Débit traversant l'hélice Vli, vitesse (en m/s) I)3)Problèmes des hélices : • Cavitation : → influe sur : -la profondeur d'immersion (augmentation) -la surface de l'hélice (augmentation) -angle d'incidence (diminution) -vitesse de rotation • La dimension des hélices → limites dues : -les dimensions des tirants d'eau autorisé dans les ports -la difficulté à les modéliser (la plupart des études des hélices sont basées sur des essais réels) → influe sur : -la poussée produite -la forme de l'hélice (surface, incidence des pales..) • La ventilation → due à : -une trop faible distance de l'hélice par rapport à la surface → influe sur : -le diamètre de l'hélice (selon les critères établis dans le cahier des charges) 4 Illustration 5: Hélice de grandes dimensions Illustration 4: Effet de cavitation Illustration 6: Effet de ventilation II)1) Etapes de modélisation : 5 Poussée attendue Puissance attendue Test Poussée Puissance Données Dimension du Navire Vitesse navire Définition de l'hélice (caractéristiques) Test Problèmes (cavitation, résistance, freinage) Données Géométrie de l' hélice (autres données si problème) Vitesse navire Calcul Calcul Poussée possible Puissance possible Vitesse rotation possible II)2) Modélisation d'une hélice de porte-conteneurs : a)Modélisation de la traînée : 6 Poussée : 3 085 280N Puissance : 36 468 020 W Données Vitesse navire : 11,822m/s Longueur : 320m Largeur : 37,5 m Tirant d'eau : 14m Aciers alliés Calcul a)Modélisation de l'hélice : -poussée obtenue correcte mais puissance demandée relativement supérieure -marge d'erreur due à la base de donnée limitée 7 Test Problèmes Données Vitesse navire : 11,822m/s Diamètre : 10m Corde au pied de pale : 3,500m Corde en bout de pale : 0,5m Rayon du moyeu : 17% du rayon 4 pales Matière : aciers alliés Calcul Poussée : 3 093 594N Puissance : 47 724 430W 50,4 tr/min Problème de freinage à la base de l'hélice Incidences forcées Élément 1 : 0° Élément 2 : 3° Élément 3 : 4° 8 Hélice Nombre de pales Augmentation Diminution Surface (rayon) Incidence Vitesse de rotation Augmentation Augmentation Augmentation Diminution Diminution Diminution Plus de puissance, de poussée Freinage à la base de l'hélice Hélice impossible à modéliser pour plus de 12m de diamètre Plus de puissance, de poussée Problème vitesse à la base Moins de puissance, de poussée Freinage à la base de l'hélice Moins de puissance, de poussée Freinage à la base de l'hélice Moins de puissance, de poussée Moins de puissance, de poussée Plus de puissance, de poussée II)3) Réaction de notre hélice à quelques variations -hélice plus conforme après ces variations. → un seul type d'hélice pour notre usage spécifique, ici pour les porte-conteneurs →hélice type navire offshore → résultats similaires Conclusion : -le type de propulsion conditionne la forme -un usage non adapté réduit le rendement de l'hélice ou la détériore -une augmentation progressive de la taille des hélices -la solution maritime, la plus rentable -difficultés à trouver d'autres moyens de propulsion 9 uploads/s3/ etude-resistance-propulsion-helice-navire-heliciel.pdf