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samedi 27 mai 2017

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Théorie

Hélices de chalutiers

Albertus

L’hélice est l’élément technique le plus important sur un bateau de pêche. Sa conception et ses caractéristiques ont une influence directe sur le rendement. Un mauvais type d’hélice contribue très souvent à une inefficacité énergétique. Cet article présente des concepts de base de dessin et de montage de l’hélice. Il est important de comprendre que la conception d’une hélice n’est pas chose simple, surtout dans le cas des chalutiers.

Pour nos maquettes, nous pouvons tirer un enseignement utile des rapports publiées par certains organismes officiels qui visent à améliorer les rendements de pêche.


A quoi sert une hélice ? Cela semble évident : une hélice transforme la puissance fournie par le moteur en une poussée propulsant le bateau sur l’eau.


FACTEURS DE RENDEMENT DE L’HÉLICE

Diamètre.
-  Le diamètre est le facteur essentiel pour déterminer l’efficacité de l’hélice. Une hélice travaille en repoussant l’eau à l’arrière du bateau, ce qui a pour effet de propulser celui-ci vers l’avant. En termes d’efficacité, il vaut mieux repousser vers l’arrière une grande quantité d’eau assez lentement que de rejeter une faible quantité d’eau très rapidement, pour obtenir la même poussée vers l’avant. Ainsi le diamètre de l’hélice devrait toujours être aussi grand que possible, compte tenu de l’espace disponible entre les pales et la coque, de sorte que la plus grande quantité possible d’eau passe à travers l’hélice.

Le diamètre de l’hélice doit être aussi grand que le permettent la forme de la coque et la disposition du moteur.

Vitesse de l’arbre (tr/min).
-  Plus le diamètre de l’hélice est important et plus l’arbre tournera lentement pour absorber la même puissance. Par conséquent, pour avoir une hélice efficace, non seulement son diamètre devra être aussi important que possible mais, en conséquence, la vitesse de rotation de l’arbre devra être lente. Cela nécessite habituellement l’utilisation d’un réducteur entre le moteur et l’arbre porte-hélice.

On devrait choisir un réducteur donnant de 1 000 à 3000 tr/min à l’hélice.

Nombre de pales.
-  En général, pour une vitesse donnée de l’arbre porte-hélice moins l’hélice a de pales et mieux cela vaut. Cependant, on en déduit que, avec moins de pales, chacune subit une plus forte charge. Cela peut entraîner de nombreuses vibrations (en particulier avec une hélice à deux pales) et contribue à la cavitation. Quand le diamètre de l’hélice est limité par l’espace disponible, il vaut souvent mieux conserver une vitesse lente de l’arbre et absorber la puissance en utilisant plus de pales. D’autre part, un hélice à trois pales n’a jamais qu’une de ses pales à la fois masquée par le massif, alors qu’une hélice à quatre pales en a deux. Effectivement : ce n’est pas simple !

 
Surface des pales - 12.4 ko
Surface des pales
Surface de pales.
-  Une hélice avec un taux faible de surface de pale est plus sujette à cavitation car la poussée produite par l’hélice est répartie sur une plus petite surface de pale. Tenir compte de la cavitation exige invariablement que le taux de surface de pale choisi soit plus élevé que la valeur la plus efficace.

Moyeu.
-  La dimension du moyeu d’hélice affecte directement le rendement de celle-ci. Cela est particulièrement vrai quand on envisage l’installation d’une hélice à pas variable qui a un moyeu nettement plus important que celui d’une hélice à pas fixe équivalente. En général, la chute de rendement d’une hélice à pas variable avec un gros moyeu est de l’ordre de 2 pour cent. Il reste qu’une hélice à pas fixe est plus efficace qu’une hélice à pas variable, mais moins bien adaptée à un moteur diesel

Pas
-  Le pas de construction est une caractéristique géométrique de l’hélice, qui dépend du calage des pales. C’est la longueur d’avance théorique pour un tour, sans glissement (recul = 0). Dans ce cas le pas de l’hélice peut être comparé au pas d’une vis à métaux. Le pas est exprimé en pouces ou en mètres. Le pas peut être à gauche ou à droite
-  Le pas effectif est la longueur d’avance effective pour un tour, inférieur au pas géométrique à cause du recul :
-  Le recul : Les pales attaquent l’eau avec un angle d’incidence supérieur à zéro. A chaque tour l’hélice avance moins que son pas de construction. Le pas effectif étant inférieur au pas de construction, on définit la notion de recul par la relation suivante : recul = 1 - (pas effectif / pas de construction) Le coefficient de recul s’exprime souvent en pourcentage, par exemple 28 % au lieu de 0.28
-  Pas variable : Meilleure utilisation du moteur diesel : 100 % de la puissance reste disponible à l’hélice dans tous les cas de figure (route libre, chalutage, manoeuvres...). De plus, l’H.P.V. permet une constante utilisation du moteur à son régime nominal, réduisant ainsi sensiblement le coût de consommation et d’entretien ainsi que l’usure des disques d’embrayage.

Profilage du massif - 60.1 ko
Profilage du massif
Le profilage du massif en avant de l’hélice a une importance énorme sur le rendement de celle-ci. Il doit être effectué sur une longueur minimale de 1,3 x le diamètre de l’hélice


DÉGAGEMENTS DES HÉLICES À TROIS PALES

Espaces libres et cage d’hélice.
-  Les distances entre l’hélice et la coque déterminent l’efficacité de l’hélice dans l’eau qui s’écoule le long de la coque et l’intensité des vibrations produites par l’hélice. Le dessin ci-dessous indique les dégagements recommandés.

Valeurs conseillées en % du diamètre de l’hélice - 47.8 ko
Valeurs conseillées en % du diamètre de l’hélice

distance minimum
-  1/ entre pale et coque : 17%
-  2/ entre pale et quille : 4%
-  3/ entre massif et hélice (à 35% de son diametre ) : 27%

distance maximum
-  4/ entre le gouvernail et l’helice(à 35% de son diamètre) 10%
-  5/ maximum 4x le diamètre de l’arbre

Les dégagements en bout de pale doivent être aussi faibles que possible, en respectant certaines limites, pour permettre l’installation de la plus grande hélice possible.

La distance de l’hélice au gouvernail doit être faible pour conserver la maîtrise de la barre.

La distance du massif à l’hélice doit être importante.


TUYÈRES.


-  Une tuyère est un tube court entourant l’hélice. Dans certains cas, elle peut améliorer sensiblement le rendement du système de propulsion. Le tube affleure l’hélice et est légèrement conique à l’extérieur (l’intérieur est cylindrique) avec une section transversale en forme d’aile d’avion.

Tuyère d’hélice - 44.9 ko
Tuyère d’hélice
Les pales sont ajustées à l’intérieur de la tuyère dont la section (bleu foncé) a la forme d’un profil d’aile d’avion, ce qui contribue à la poussée. Le gouvernail à axe déporté est accolé à la tuyère. Parfait !


CAVITATION.


-  La cavitation se produit quand la pression sur la face avant de la pale d’hélice devient si faible que des bulles gazeuses se forment : la dépression devient telle que l’eau bouillonne.

Quand les bulles gazeuses dépassent la face de la pale et quittent la zone de dépression, elles éclatent et se condensent en eau. Généralement, les bulles se forment près du bord d’attaque de la face avant de la pale de l’hélice et elles s’écrasent près du bord de fuite avec un effet souvent plus net près de la pointe de la pale.

Le plus souvent la bulle de vapeur est transitoire : son apparition élimine instantanément les conditions qui lui ont donné naissance. Il se produit donc une implosion de la bulle qui peut-être si violente que la pression et la température à l’intérieur de la bulle peuvent prendre des valeurs de plusieurs milliers de bar et de plusieurs milliers de degrés Kelvin.

L’éclatement des bulles peut paraître sans importance, mais c’est en réalité un mouvement très violent produisant une érosion et des piqûres à la surface de la pale d’hélice allant jusqu’à la fissuration du matériau des pales.

La seule solution à la cavitation est un changement d’hélice. On doit prévoir une hélice avec un plus grand nombre de pales, une surface de pales plus grande ou un diamètre plus important.

Sources : Wikipedia


tripales - 36.3 ko
tripales

avec 5, 6 ou sept pales - 47.9 ko
avec 5, 6 ou sept pales

Pour le modélisme RABOESCH propose des hélices de qualité. Ces hélices sont notament commercialisées par la société CAP MAQUETTE

Cet article sans prétention cherche simplement à susciter chez le modéliste moyen une réflexion sur la complexité des hélices marines. Le Web fournit bien des réponses et permet de se rendre compte qu’une hélice, c’est plus qu’un truc qui tourne et qui fait avancer le bateau. La conception et le choix des hélices de chalutiers demande une attention spéciale car l’hélice est utilisée dans deux conditions totalement différentes - traction et « route libre ».

- Cet article est une synthèse des conclusions de la FAO (FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS), publiées ici à des fins éducatives avec leur authorisation.

Photos et dessins de l’article : © FAO


Photos d’hélices laiton : ©Maquettes Sédial/©Raboesch

Mauvais

Garnir la cage d’hélice avec des pièces de forme particulière à l’avant de l’hélice, réduit le rendement et augmente les vibrations

Bon

La mise en forme du massif permet un écoulement plus fluide de l’eau et augmente le rendement en réduisant la cavitation

Mauvais

Dégagement insuffisant entre coque et pales d’ hélice et mauvaise forme du massif

Mauvais

Trop grande distance entre l’hélice et le gouvernail, et distrance trop faible entre l’hélice et le massif

Tuyère

La tuyère d’hélice améliore le rendement et la manœuvrabilité

La cavitation est une formation de bulles de vapeur due à une baisse de pression.

Le métal va être attaqué, et à terme l’hélice devra être remplacée (©Photo MECAFLUX)


bipales

quadripales