lundi 9 octobre 2017

LES HELICES MARINES


                                   HELICES MARINES - v1/10-2017

                                Règles pratiques élémentaires selon Paul BEZZI


Fondateur FRANCE HELICES en 1977,
Labellisée Entreprise du Patrimoine Vivant

Diplômé HSCE Expert Judiciaire classification plaisance

Spécialiste des navires de plus de 50 nœuds
















Champion d'Inshore et Offshore sur le 558






Les hélices marines ont beaucoup de points communs avec les hélices d’avions à un élément
près, la densité du fluide.
De ce fait, elle absorbent plus de couple, et, à puissance égale leur diamètre s’en trouve réduit.

Une hélice se définit donc  :

par son diamètre D


Ce diamètre est celui qui s’inscrit dans un cercle ayant pour rayon le centre de l’hélice.

Les informations du Diamètre et du pas peuvent être fournies en millimètres ou en pouces.
1" = 25.4 mm

Par son pas H


H= (360/alpha X ( h) ) ou alpha est l’angle de projection des points a et b

Le pas des hélices peut être constant sur l’ensemble des sections de pale
Ou bien être non constant.

La décision d’opter pour l’une ou l’autre des forme de distribution de pas dépend essentiellement
des facteurs suivants :

· Du risque d’interaction entre l’hélice et la carène
· De la façon dont l’hélice est alimentée en eau en fonction des appendices pouvant
perturber l’arrivée d’eau à la pale et agir sur le coefficient de sillage.

CAS DES HELICES A PAS CONSTANT SUR LE RAYON DE PALE
Ces hélices ont généralement un pas plus faible à l’emplanture des pales afin de limiter les effets
de cavitation. En considérant le pas de référence égal a 1, nous aurons un pas qui varie en
fonction des rayons de pale de la façon suivante :

exemple d'une distribution de pas le long du rayon de pale pour un pas constant :
RAYON 0.2       0.3                       0.4               0.7              0.9
PAS *0.92         PAS *0.96            PAS*1         PAS *1       PAS*1


CAS DES HELICES A PAS NON CONSTANT SUR LE RAYON DE PALE

exemple d'une distribution de pas le long du rayon de pale pour un pas non constant :
RAYON 0.2          0.3                 0.4                   0.7                  0.9
PAS *0.92             PAS*0.96      PAS*1.1          PAS *1.13     PAS*0.9

Dans ce cas c’est le pas moyen qui sera pris en compte dans le calcul.
La distribution du pas pourra être modulée en fonction des paramètres propres au navire tout en
tenant compte du fait qu’une variation trop brutale du pas d’une section de pale à l’autre pourrait
créer un problème dans la surface de pale et être génératrice de cavitation.
Seule une étude en trois dimensions de la pale avec des rendus du type shading avec projection
de lumière inclinée permet de vérifier si un défaut de profil est susceptible d’entrainer une
déviation ou une dépression du fluide capable de générer la cavitation,.
Ou bien l’utilisation d’un logiciel adapté à l’écoulement des fluides sur des surfaces gauches
permettent de déceler ce risque : CFD (Computational Fluid Dynamic).

Le choix dépend essentiellement de la carte de sillage du navire, qui pour l’instant ne peut être
fournie que par des essais en bassin des carènes ou par CFD.

Une carte de sillage théorique peut malgré tout être estimée à partir les éléments constitutifs de
carène et, ou de l’expérience acquise sur des applications précédentes.

Par son nombre de pales z

Le nombre de pales est généralement compris entre 2 pour des applications de
faibles puissances (ex : voilier) à 7, mais en général compris entre 3 et 5 pales pour la majorité des
applications.
helice 4 pales
helice marine 3 pales
helice marine 5 pales










Par sa surface projetée couramment appelée Fa/f

Le Fa/f se définit par la surface projetée de l’hélice dans un cercle de même diamètre.

Ainsi deux hélices ayant le même diamètre et le même pas pourront avoir un Fa/f différent tout
en ayant la même forme comme le montre l’exemple ci dessous.

                                             FA/f=0.7                                       Fa/f=0.8
FA/F

Dans ce cas le dessin s’obtient par l’allongement de la longueur de section servant de référence.
Les autres sections de pales conservent en pourcentage le même rapport.


Par sa rotation (droite ou gauche)

Hélices contra-rotatives ci-dessous
rotation droite et gauche

                

La rotation d'une hélice se détermine toujours en regardant l'hélice installée de l'arrière vers l'avant du navire.

Sens horaire = droite
Sens anti-horaire = gauche

Dans certains cas, les 2 hélices peuvent tourner dans le même sens soit à droite soit à  gauche à cause de l'impossibilité d'inverser la rotation par l'inverseur.


Par le RAKE

Le rake est l’angle formé par la pale par rapport à la génératrice.


angle formé par la pale hélice




Par le SKEW

qui est l’angle formé par la ligne de position des sections par rapport à la génératice.



angle formé par la ligne de position des sections



Hélice à fort skew

helices marines skew back france helices
















Le skew est couramment employé lorsque de silence de fonctionnement est impératif comme c’est le cas pour les navires de guerre ou pour les sous marins.

Le bruit rayonné par l’hélice peut être détecté à des dizaines de miles nautiques, il convient donc
d’en limiter les effets, comme c’est le cas pour les thoniers seineurs.

Puis par le cup

Le cup se situe sur le bord de fuite de la pale tout le long du rayon. Il peut être utile dans une hélice immergée pour raccourcir la durée de transcavitation notamment lorsque l'hélice tourne à  un régime élevé sous un couple important.
Il est nécessaire de forger un cup en sortie de sections surtout lorsque l'hélice travaille soit :
- à proximité de la surface (manque d'immersion)
- soit lorsque les appendices de carènes perturbent l'écoulement de l'eau à l'hélice (couche limite, chaise trop épaisse ou autre).
Le cup se présente sous la forme d'un rayon présent à l'extrémité de chaque section de pale avec une hauteur qui variera en fonction du besoin d'absorption de couple dans la phase transcavitante.

Il est souvent nécessaire d'utiliser le cup comme moyen d'éviter les vibrations durant la phase d'accélération et notamment lorsque les navires naviguent à plus de 40 nœuds.

Lorsque le diamètre d'hélice est faible à cause de la dimension de la cage d'hélice, le cup peut être un moyen efficace pour réduire le temps nécessaire à la mise au planning du navire.

Le cup agit sur 2 aspects :
-il augmente le couple absorbé par l'hélice à un régime donné
-il agit comme la cambrure de la pale avec un avantage majeur sur celle-ci en limitant la phase de transcavitation.

helice avec cup


EPAISSEUR DES PALES

L’épaisseur des pales doit répondre aux contraintes de fatigue imposées par les différentes
forces qui s’exercent sur la pale.
De façon logique plus la puissance à transmettre est importante, plus l’épaisseur de la pale
augmentera.
D’une façon générale, l’épaisseur standard à la base des pales est définie dans des proportions
qui varient de 0.04 à 0.055 le diamètre de l’hélice et ce, en fonction de la matière choisie pour la
fabrication.
epaisseur de pale d'hélice marine
Vue en coupe montrant la distribution de l'épaisseur des pales aux différents rayons
Un bronze manganèse aura une résistance mécanique de l’ordre de 450N/mm²
Alors qu’un bronze aluminium aura une résistance mécanique de 600 n/mm²
Il sera alors permit de réduire l’épaisseur des pales (à puissance égale afin de gagner en
rendement.
Dans le cas d’hélices classées par un bureau de classification, il conviendra d’appliquer les
formules de calculs éditées par les différentes sociétés de classification.
En effet certaines applications particulières requièrent des calculs adaptés ,notamment dans le
cas d’hélices de travail fortement chargées, ou dans le cas ou le classement ICE class est
demandé pour les navires évoluant en zones arctiques ou antarctique.
L’augmentation de l’épaisseur des pales se fera au détriment du rendement de l’hélice mais au
bénéfice de la sécurité.

Les sociétés de classification ont établi des méthodes de calculs qui prennent en compte :
· La matière utilisée pour la fabrication
· La résistance mécanique de celle-ci
· Le diamètre de l’hélice
· Le pas de celle-ci aux différents rayons
· La largeur de sections de pale
· Le rake
· Le skew

Matières couramment utilisées, valeurs exprimées en N/mm²
Matière :                                  Rm                
bronze                                     400     
manganese-bronze                  440                
Nickel-manganese-bronze      440        
aluminium-bronze                  590
acier                                        440


Le résultat du calcul d'épaisseur donne pour chaque type d’application les épaisseurs minimales qui
guideront le dessin de l’épaisseur des pales.

Le calcul ne prend pas en compte le risque de perte de rendement lié au poids
éventuellement majoré de l’hélice – il doit malgré tout être respecté pour répondre aux
aspects sécuritaires imposés par exemple dans les bâtiments charter ou classés.

Rappel des méthodes de calcul d’hélices
Il m’ a semblé utile de rassembler dans ce mémorandum les principes généraux qui régissent le
calcul des hélices marines et de définir quelques méthodes qui permettent d’atteindre le résultat
souhaité, notamment :

· La vitesse souhaitée
· Le régime moteur et sa puissance associée
· L’absence de vibrations et de cavitation

Pour ce faire, il convient de respecter quelques principes de base :

· Respecter les proportions entre la taille des navires, leur puissance et les dimensions
d’hélices qui résulteront du calcul
· Choisir un rapport de réduction qui convienne à la fois aux vitesses de croisière ainsi qu’à
la vitesse maximale.
· S’assurer que les formes de carènes permettent d’atteindre le résultat escompté.
· Utiliser des unités de calcul cohérentes entre elles.

C’est donc par le besoin de poussée des hélices qu’il faudra commencer.
La poussée à fournir par l’hélice devra être au moins égale à la résistance de carène au point de
calcul, cette poussée recherchée devra être majorée comme nous le verrons plus loin du facteur
de succion (t)

Nous pouvons donc écrire que la poussée P est égale :
P = R/ (R-t)                                                 (1)
Ou R = résistance du navire

En effet toutes les carènes lorsqu’elles se déplacent provoquent le décollement d’une partie de
l’eau longeant la coque, cette eau cherche à recoller à la coque provoque un effet de succion qui
augment la résistance de carène.
Ce phénomène est plus sensible pour les coques à déplacement que pour les carènes
planantes.
De ce fait, si on trace la résistance de carène sous forme de graphique, nous obtiendrons des
courbes de type polynomiales ayant des formes différentes en fonction des formes de coques.

Afin d’évaluer la résistance de carène, il convient d’identifier la famille a laquelle appartient la
carène.

Il existe 3 grandes familles :
· Les carènes planantes
· Les carènes à semi-déplacement
· Les carènes à déplacement

famille des coques bateaux
courbe de resistance coques

Le deuxième facteur d’importance est la vitesse d’écoulement du fluide à la pale.

Cette vitesse d’écoulement communément appelée Va dépend du facteur de sillage (w) varie
en fonction de facteurs tels que :
· La position de l’hélice par rapports aux appendices de carène comme la quille, les chaises
support d’arbre d’hélices, les diverses prises d’eau pouvant engendrer des perturbations
du fluide arrivant à la pale.
· La position des pales, par rapport à l’horloge.

La vitesse à prendre en compte est alors :

Va= vitesse réelle de l’eau arrivant à la pale (2)

Ou, V est la vitesse a atteindre par le navire

LA CARTE DE SILLAGE
Cette carte permet de déterminer en phase d’étude quel sera l’impact des formes arrières du
navire et celui des appendices de carène sur la vitesse d’arrivée d’eau à la pale d’hélice et ce, à
tous les points du cadran dans lequel évolue l’hélice.

Le coefficient de sillage
Comme le profil de pale est figé, sauf à utiliser un programme de calcul ou a procéder à des
essais en tunnel de cavitation, il n’est possible que de calculer un coefficient moyen.
Ce coefficient moyen appelé w- ou facteur de sillage permet de déterminer la vitesse moyenne
d’arrivée d’eau à la pale d’hélice –il en résulte que la vitesse moyenne d’arrivée d’eau à la pale
d’hélices n’est pas la vitesse du navire.

On écrit donc cette vitesse sous la forme :
Va = V *( 1-w)                                                           (2)

Ou Va = vitesse d’arrivée d’eau à la pale
V = vitesse du navire
w = coefficient de sillage

La détermination du coefficient de sillage se fait soit :
-par estimation en fonction de la position de l’hélice et du type de navire et dans ce cas le
coefficient de blocage de carène est fondamental pour approcher des valeurs réalistes
-par calcul théorique tel que le tableau ci dessous

Exemple :
rapport pas diametre helice
- par mesure au tunnel de cavitation et bassin des carènes  tel que le montre la carte de
sillage ci dessous ou par CFD :


Dans cette carte de sillage qui représente le sillage du navire à la vitesse de 14 Noeuds, on
mesure l’importante variation de la vitesse d’arrivée d’eau à la pale.
Le coefficient de sillage w varie de .001 lorsque la pale est en position à 220° à 0.85 lorsque la pale est à 0°.

Le sillage influe sur la vitesse d’arrivée d’eau à la pale ainsi que sur la pression s’exerçant sur la pale avec en conséquence un effet non négligeable sur la variation de la poussée exercée la l’arbre d’hélice sur la butée qui réceptionne la poussée de l’hélice.
Les valeurs à retenir pour ces coefficients peuvent être approximés en fonction de l’expérience
acquise ou estimés par l’utilisation de tableau ou bien calculés par formules.

Plus les carènes sont longues pour un poids donné (coefficient de blocage faible), plus la marge d’erreur est faible.

Des carènes dont l’assiette (trim) varie ou dont le centre de gravité varie en fonction de la
position du carburant ou de la charge embarquée doivent être calculées sur plusieurs cas de
figures, il appartiendra au chantier constructeur ou à l’architecte naval de préciser le cas de
figure qui sera la base contractuelle du calcul d’hélice.

La façon la plus aisée pour calculer ces deux coefficients est de calculer
le coefficient de blocage ( Bc) à partir des éléments connus de carène que sont :
*Le poids du navire en charge W
*La longueur flottaison Lwl
*La largeur au maître bau flottaison Bwl

Le tirant d’eau moyen hors quille Te (dans le cas ou le tirant d’eau varie beaucoup entre le
maitre bau et le tableau arrière, prendre la moyenne)

Comment approcher les valeurs de sillage et de succion ?
Il existe plusieurs méthodes :
- pour les grands navires de type Cargo, pétroliers ou autres chalutiers les formules issues des
travaux déjà anciens, mais publiées dans les conférences internationales, peuvent être utilisées
et modulées en fonction du nombre de lignes d’arbres.

D’où le calcul du block coefficient pour les carènes à déplacement suivant :
Bc =W / ( Lwl *Bwl*Te)                                            (3)
calcul du facteur de sillage w (d’après Taylor)
w= 2* Bc^5 *(1-Bc)+0.04                                           (4)

Calcul préliminaire du facteur de succion t
t = 0.70*w + 0.06                                                         (5)

EXEMPLE D’UNE CARENE A DEPLACEMENT
données navire
Lwl :                         20 m
Bwl :                          5 m
Te à Bwl :                  1 m
Te au tableau arr.      0.6 m
W :                            43 tonnes
Bc :                            0.5375 adimentionnel
calcul de sillage w :   0.08149866 adimentionnel
calcul de t :                0.11704906 adimentionnel

A partir des ces variables calculées, il est possible de déterminer le rendement de carène Nh en
utilisant la relation suivante :
Nh = ( 1-t ) / ( 1- w)                        (6)
Soit dans l’exemple donné
Nh = (1- 0.11)/(1- 0.08) = 0.96

D’une façon courante la valeur de Nh se situe entre 0.95 et 1.05
Cette valeur est souvent proche de 1 qui est une valeur pouvant être utilisée en première
approximation dans un calcul de Diamètre pour s’assurer, par exemple que ce même diamètre
pourra être installé sous la coque compte tenu de l’espace disponible et des marges qu’il faudra
rajouter pour éviter les interférences avec la coque.
Ce rendement de carène interviendra plus tard dans le calcul pour vérifier le rendement global le
l’installation.

Attention ! ces formules ne sont pas applicables aux carènes rapides dites semi planantes ou
planantes.

Dans le cas d’une coque rapide, les valeurs de sillage et succion diminuent fortement.

Si les hélices sont positionnées derrière un chaise mono bras profilée NACA les valeurs à
prendre en compte pour une estimation raisonnable sont de 0.03 pour le coefficient de sillage et
de 0.045 pour le coefficient de succion.
La variation importante de ces coefficients d’un type de carène à l’autre implique d’identifier le
type de carène avant de commencer le calcul.

Avant de calculer l’hélice il faut rassembler les éléments permettant le calcul :
· La puissance disponible moteur
· Les pertes éventuelles
· La puissance nette à l’hélice
· Le rapport de réduction
· La vitesse de projet

Exemple de données pour un Calcul de Diamètre
Sont connus :
La vitesse du navire  V                                      35 noeuds soit 18 m/sec
La vitesse du fluide à l’hélice Va                      16.53 m/sec
La puissance nette à l’hélice                             516 kW
Le nombre de tours à l’hélice                           15.33 tours/sec
Le Kt optimum pour une 4 pales soit                Kt = 0.17
Le rendement estimé soit                                   eta= 0.69
Le Ø maximum admissible dans la cage Ø max = 0.867 m

A ce stade du calcul il est possible de connaître la poussée que fournira l’hélice

Soit Poussée = puissance moteur nette * rendement /vitesse

Dans ce cas P=516*.69/16.53=2.19 tonnes=2190kg

Il est maintenant possible d’estimer le diamètre à partir de la poussée en inversant la formule de
Kt
Soit :
Kt = P/ (j*n²*D4)

Ou Diamètre hélice en mètres

D= (P/j*n²*Kt )^ 0.25                                                 (7)

j = densité massique du fluide 1025g/litre ou 104.5 N/l
n= nombre de tours / sec

En appliquant la formule aux données de l’exemple nous obtenons :
D = (2190 /(104.5*15.33^2*0.17))^0.25
D =0.851m

Une fois le diamètre approximé, il convient de comparer la poussée obtenue à la résistance de
carène, puis de dresser un tableau ou on augmente et on diminue le Diamètre d’hélice pour vérifier si le rendement et la poussée peuvent être améliorés.

Afin de satisfaire la performance il convient de comparer la poussée obtenue avec la résistance
du navire.
SOIT :
P > Rt
En prenant en compte le facteur de succion t calculé 0.117
Rt < ( P*.88) = 2190*0.88= 1927 kgs

En plaçant la poussée sur le graphique de résistance, la vitesse est déterminée.

La relation entre les différents coefficients est la suivante :

T= poussée
Q= couple
Eta= rendement
J= coefficient d’avance
Va= vitesse du fluide corrigé des effets de la couche limite

Kt= T/ (j*n²*D^4)                    (8)
Kq= Q/ (j*n²*D^5)                   (9)
J= Va/(nD)                               (10)
Eta= (J/2*PI()) *(Kt/Kq)         (11)
En première approximation on pourra prendre les valeurs optimales de kt
Kt= 0.17 pour 4 pales Kt= 0.14 pour 3 pales

VITESSE CIRCONFERENTIELLE

A ce stade, il convient de s’assurer que la vitesse circonférentielle n’est pas hors des limites
acceptables. La vitesse circonférentielle doit être inférieure à 50m/seconde en bout de pales pour les bateaux rapides et inférieur à 37 m/seconde pour les hélices fortement chargées en application professionnelle.

Vitesse d’extrémité de pale
Ve= Diamètre d’hélice* pi()*tours hélices

Ou

Ve = vitesse circonférentielle
Diamètre en mètres
Pi()= 3.14
Tours hélices= tours moteurs/rapport de réduction/60


Une vitesse circonférentielle trop grande entraîne une cavitation érosive des extrémités de pales
avec comme conséquence directe une usure et une diminution progressive du diamètre d’hélice
entraînant une perte de poussée et un déséquilibre provoquant des vibrations.

Choix du type de pale
Depuis le début du 20ème siècle de nombreux essais d’hélices ont été conduits pour obtenir des
courbes de rendements en fonction des formes de pales et de leur nombre.

Ces essais ont conduit à définir des séries systématiques les plus connus d’entre-elles portent le
nom de Troost dans les années 30 puis plus tard Wageningen ( Pays- Bas) leur auteurs les
professeurs Troost, Van Lammeren, Van Manen et Oosterveld méritent par leur travaux, la
reconnaissance de l’industrie navale.
Grâce à leurs études , nous disposons aujourd’hui, d'une palette de courbes qui permettent
d’approcher par calcul, le dimensionnement des hélices à l’aide de courbes du type Kt, Kq, Eta
telle que présentée ci dessous.

Pour chaque rapport Pas /Diamètre il existe une courbe qui indique le rendement pour une
vitesse donnée en fonction de J le coefficient d’avance.

Exemple :



Aujourd’hui il est possible de dessiner une hélice d’un nouveau type, puis de tester cette hélice
en tunnel de cavitation pour vérifier le bien fondé des calculs. Pour ce faire les endroits disponibles sont légions.
Les tunnels de cavitation souvent créés pour des besoins militaires sont ouverts moyennant finance aux travaux de recherche des entreprises privées.

Influence de la surface des pales et de leur nombre sur le rendement.

test helice



Mais aussi simulation par CFD (Computational Fluid Dynamics)



Surface des pales
Plus la surface de pale est importante, plus la masse de l’hélice sera importante, il convient donc
de satisfaire à minima, une condition qui sera liée à la charge de l’hélice pouvant déclencher la
cavitation.

-L’augmentation inutile de la surface de pale au delà du nécessaire aura deux inconvénients
majeurs :
L’augmentation du volume de l’hélice ayant pour conséquence l’absorption d’un couple supérieur,
au détriment de la poussée.
-La baisse du rendement, liée à l’augmentation de la masse d’eau entraînée et aux frottements
qui en résulte.


Nombre de pales
L’hélice idéale serait en théorie seulement celle qui aurait le moins de pales, le rendement des
hélices et inversement proportionnel aux nombre de pales.
Ce qui dicte le choix de nombre de pale est généralement lié aux critères suivants.

La limite du diamètre d’hélice à cause des dimensions de la cage d’hélice, en tenant compte des
distances minimum entre le sommet des pales et la carène et ses appendices.
La fréquence d’hélice qui peut générer des harmoniques à des régimes critiques, pouvant aller
jusqu'à la rupture des pièces mécaniques de la ligne d’arbre.
Le confort et le silence à bord, sachant qu’à puissance égale, une augmentation du nombre de
pales, permet une réduction du diamètre et de ce fait une diminution de l’interaction hélice /
carène.

La fréquence de l’hélice se calcule de la façon suivante :
F= N*z/60                                         (12)
Ou ,
F= fréquence en Hertz (c.p.s)
N = nombre de tours à l’hélice par minute
z = nombre de pales

L’ISO (International Standard Organisation) définit clairement les limites acceptables par le
corps humain aux vibrations.
Les vibrations sont définies par leur amplitude (g) et leur fréquence ( hertz).

Il ne faut néanmoins pas se borner à vérifier que la fréquence propre de l’hélice n’entre pas en
harmonique avec les ensembles tournants de la machine.

D’autres causes de vibrations sont possibles telles que :
- Défaut d’équilibrage de l’hélice.
- Défaut géométrique de l’hélice.
- Défaut de concentricité des ensembles tournants.
- Défauts dus aux alignements et aux réactions sur paliers en résultant.
- Forme des pales.


Quelle forme de pales choisir ?
helice 5 pales RDL


FH5 SB FRANCE HELICEShelice fixe 3 pales pour la marine

Les hélices avec skew sont elles meilleures que les autres ?
Les essais montrent que les hélices ayant un skew très marqué poussent moins fort que des
hélices de même dimension sans skew.

Un skew trop important handicape aussi le rendement de marche arrière.

Il conviendra donc de limiter le skew au strict minimum en fonction des besoins générés par la
diminution des bruits de fonctionnement ou de la position de l’hélice par rapport à la carène..
Par exemple, un navire à passagers dont le besoin de stopper net est important,  ou bien un
navire de pilote de port, devront limiter le skew des hélices afin de conserver un maximum de
traction et rendement sur la marche arrière.

A l’opposé, une frégate ou un navire de croisière dont les manoeuvres d’accostage sont réalisées
à l’aide des remorqueur de port, mais où le silence et les vibrations en route libre sont importants
pourront opter pour des hélices à fort skew le meilleur exemple est celui des frégates dont la
détection acoustique par les sous marins doit être limité au maximum.

Il en va de même pour le rake, le rake permet de dégager la pale de la carène, il augmente
parallèlement la longueur de la pale pour un même diamètre.
Les essais montrent que un excès de rake nuit au rendement, mais celui-ci est utile notamment
dans le cas de monomoteurs ou l’hélice placée derrière la quille est très proche de la voûte.
Dans ce cas le basculement vers l’arrière de la pale améliore l’arrivée d’eau et limite l’interaction
hélice/ carène.
La largeur de pale est le résultat du calcul de cavitation.

L’hélice est soumise à deux types de pressions :
-la pression statique liée à l’immersion,
-la pression dynamique liée à la vitesse du navire et aux forces générées par l’accélération du fluide sur les faces des pales.
Le calcul de cavitation permet de déterminer la surface minimum nécessaire.

LE MARIAGE AVEC LES MOTEURS
Dans le cas d’un moteur thermique, la puissance varie en fonction du nombre de tours , mais la
puissance absorbée par l’hélice suit la courbe moteur suivant une fonction cubique.
La relation entre le moteur et le propulseur est donc :
F/n^3=F’/n’^3
On peut donc tracer la courbe de puissance théorique absorbée par l’hélice de la façon suivante
F’= F / (n maximum/ n’)^3 en exemple le graphique ci dessous
courbes puissances - couples théoriques

courbe puissance carene

Il faut par ailleurs considérer l’élévation à la puissance 3 de la formule, comme indicative et plutôt
applicable aux carènes à déplacement.
Pour des moteurs rapides de 2000 tours/min+ un exposant 2.5 est plus proche de la réalité.

En effet les carènes planantes ont une consommation de puissance supérieure dans la phase de
pré-planning et ce, jusqu'à dépasser la bosse de déjaugeage.

Le graphique ci-dessus montre la puissance fournie par un moteur thermique de 810 chevaux et
la courbe de puissance théorique absorbée par l’hélice, de même pour les couples.
Ces graphiques restent théoriques, en fait les réglages moteurs faits par les différents
constructeurs doivent aujourd’hui respecter des règles strictes en matière d’émissions polluantes
et en conséquence, ils modifient la cartographie du moteur pour éviter que le carburant injecté
dans les cylindres ne soit pas brûlé par la combustion.

La conséquence directe de cette gestion électronique est d’empêcher toute surcharge des
moteurs. L’inconvénient majeur de ce type de gestion est qu’il n’existe plus de réserve de
puissance pour faire face à une augmentation de la demande de couple venant de l’hélice,
notamment, lorsque la résistance du navire augmente.

Dans ce cas, le gaz oil injecté diminue en fonction des tours et la vitesse du navire baisse.
Ce problème est plus sensible dans les des moteurs de faible cylindrée turbocompressés.
Il convient dans le cadre du calcul de prévoir une marge de réserve sur la puissance prise en
compte, d’au moins 5% . voire plus si le navire navigue en conditions tropicales ou il faut prendre
10% de marge sur la puissance à cause de la température machine et de la temperature de l’eau
de mer.

A cette réserve il faudra ajouter les pertes dues aux conditions particulières de la zone de
navigation, pouvant influer sur le rendement du moteur.

Il ne faut pas oublier qu’en général, la puissance donnée sur les fiches commerciales des
constructeurs sont données avec :
Soit une puissance nette au volant moteur à des conditions d’essais au banc réglées à une
température d’air de 20° centigrade et des températures d’eau de mer de 25°
Soit une puissance nette à la sortie d’inverseur, toujours à des conditions telles que
précédemment.
A titre d’exemple un moteur de 1000 Kw installé sur une coque en mer du Nord avec une
température de salle des machine de 25°, naviguant dans des eaux à 15° donnera peu ou prou
la puissance indiquée par le fabricant.
Ce même moteur dans le golfe Persique dans des eaux à 32° et une température machine de
65° ne développera plus que 900Kw.
La salinité de l’eau à aussi une importance considérable et les variations de la densité de l’eau
doivent être prise en compte dans le calcul.

Cette densité peut varier de :
1000 g/litre pour l’eau douce des lacs ou des rivières à 1040 g/litre pour certaines région du
monde- la valeur moyenne généralement prise en compte dans les calculs faits pour l’eau de mer
est de 1025 g/litre
Négliger les pertes de puissance, c’est calculer une hélice trop forte qui ne permettra pas
d’atteindre de régime maximum du moteur.


BRUIT DES HELICES
Les bruits engendrés par les hélices peuvent avoir plusieurs origines :
*La cavitation
la cavitation se ressent essentiellement dans la partie arrière des navires à proximité de l’hélice,
elle ressemble à un bruit de chaînes qui, entraînées par l’arbre tournant tape dans la coque ou
encore comme des milliers de petits pétards qui exploseraient continuellement en transmettant à
la carène une vibration permanente, laquelle transmise par la structure, peut être ressentie de
façon atténuée jusqu’à l’avant du navire et ce, de façon moins importante au fur et à mesure que
l’on s’éloigne de la source.

*L’interaction avec la coque
Le bruit engendré dépends alors de la proximité de l’hélice avec la carène, plus la pale est
proche de la coque plus le bruit sera important, pour le diminuer il faudra :
-soit réduire la distance entre l’extrémité de la pale et la coque c'est-à-dire réduire le diamètre
d’hélice
-soit augmenter le skew des pales
-soit augmenter le nombre de pales en réduisant le diamètre
-soit augmenter le rake, notamment dans le cas des monomoteurs à hélice encagée derrière une quille.

La distance B ne devra en aucun cas être inférieure à 10% du Diamètre d’hélices pour le coques
planantes et à 20% du diamètre d’hélice pour les carènes à déplacement notamment dans le cas
des coques en acier, ou la structure rigide peut renvoyer des vibrations sur l’ensemble de la
carène.

La distance A ne devra jamais être inférieure à 10% de la valeur du diamètre d’hélice dans le cas
de chaises support d’arbre d’hélices et à 25% du diamètre d’hélices dans le cas ou l’hélice est
placée derrière une quille.

*Le chant d’hélice
Ce bruit généralement appelé chant est franchement désagréable, il s’apparente au bruit d’un
arbre d’hélice tournant sur un caoutchouc non lubrifié. Dans de nombreux navires, j’ai souvent
constaté qu’il se produisait à des vitesses inférieures à 15 noeuds et du régime de ralenti
jusqu’aux régimes intermédiaires, puis ce bruit a tendance a s’estomper ou à disparaître au delà
d’une certaine pression exercée sur la pale.
Ce chant d’hélice est généralement produit dans des fréquences de l’ordre de 350 à 450 hertz.

Des mesures de bruits réalisées à l’aide d’un sonomètre doté de l’indication de fréquences mettent
facilement en évidence ce type de phénomène qui relève encore du remède de grand –mère que
de la science pure.
Un bon chanfrein sur le bord de fuite appliqué sur l’extrados de la pale résout en général le problème.
La partie à chanfreiner est en largeur égale a 5% de la largeur de section pale

partie a chanfreiner sur bord helice marine

LE DESSIN DE L’HELICE
Une fois déterminées les caractéristiques principales de l’hélice, il faut réaliser le plan de
fabrication ainsi que le plan de modelage.

Le plan de l’hélice doit comporter plusieurs vues :
-Une vue des sections développées
-Une vue des sections projetées
-Une vue en coupe de coté montrant les épaisseurs
-Une vue de la distribution du pas aux différentes sections
-Les informations relatives à la classification
-Les détails d’usinage du moyeu et tolérances d’usinage
-Une table des offsets au degrés de précision demandé par la classification
-Le poids et les moments d’inertie dans l’eau et dans l’air


profil hélice marine FRANCE HELICES

Exemple :
RADIUS                        PITCH%   I section mm    rake mm    skew mm     thickness   pitch      angle
0.2R       138.9888              0.9200         328.3           14.4                39.8            80.2       1238.5     55.2
0,25R     173.736                 0.9500        342.1           18.0                50.0            69.4       1278.9     49.9
0.3R       208.483                 1.0000        362.6            21.6               58.4            61.3       1346.2     46.2
0,4R       277.9776               1.0000        420.7            28.8               72.3             49.3      1346.2     38.0
0,5R       347.472                 1.0000        490.6            36.0               80.8             40.0      1346.2     32.0
0,6R      416.9664                1.0000        560.0            43.2               81.7             32.3      1346.2     27.5
0,7R      486.4608                1.0000        620.2            50.5               72.3             26.1      1346.2     24.1
0,8R      555.9552                1.0000        655.7            57.7               44.9             20.7      1346.2     21.3
0,9R     625.4496                 1.0000        603.9            64.9              -12.1            15.8       1346.2     20.2
0,95R   660.1968                 1.0000        445.5            68.5               -59.5           13.8       1346.2     19.1
0,98R   681.04512               1.0000        275.3            70.6             -101.9           12.3       1346.2     18.8
R           694.944                  1.0000        0.0                72.1             -146.4           10.7        1346.2    18.2


MOYEU D’HELICE

dimensions moyeu helice marine

Le diamètre extérieur du moyeu se définit à partir du diamètre de l’arbre d’hélice.
En préservant les marges nécessaires pour usiner le cône et la clavette en général le plus
grand diamètre extérieur du moyeu et égal à 1.85 x Ø arbre jusqu’à 50mm puis le coefficient
diminue légèrement, sous réserve que l’hélice n’ait pas de classement sous un règlement.
En général le diamètre de moyeu ne dépasse pas 0.15 x Ø hélice
Dans le cas particulier des hélices à pas variable le diamètre du moyeu d’hélice ne devra en
aucun cas dépasser 0.3 x Ø hélice
La longueur du cône dépends essentiellement du standard utilisé ISO, Européen, Us, Impérial ou propre au fabricant de l'hélice.

La pente du cône est en général définie par le standard employé et de façon courante soit,
1/10 pour le standard Européen soit 2° 51’ 45’’
1/12 pour le standard Impérial soit 2° 23’ 9’’
1/16 pour le standard US soit 1° 47’ 24’’


LA NORME ISO 484/2
Cette norme définie les tolérances admissibles applicables à l’usinage des hélices en fonction de
la classe de précision demandée .
Il existe 4 classes.

*La classe 3 peu utilisée car les larges tolérances qui en résultent entraînent des vibrations
importantes dès que les régimes hélices sont supérieurs à 300 tours/min

*La classe 2 d’usage courant, notamment pour les bateaux de plaisance

*La classe 1 généralement utilisée par les marines militaires ou lorsque que le confort à bord et
l’absence de vibration sont un impératifs (ferry- patrouilleurs)

*La classe S dont les tolérances serrées augmentent la performance du navire, aident à limiter le
déclenchement de la cavitation, limite les vibrations au minimum.
Ces hélices sont généralement usinées en commande numérique, seul moyen d’obtenir la
précision demandée absolue.

Les classes 3,2,1 sont usinées par meulage manuel des pales.
Seul le niveau de précision diffère et le niveau des contrôles de pas et valeurs angulaires entre
pales augmente en fonction de la classe.
La mesure s’effectue sur un appareil de mesure de pas, qui permet de vérifier les différences
angulaires entre les pales ainsi que les hauteurs de pales à des valeurs angulaires données.

classes et precision d'usinage helice marine
Les écarts angulaires doivent être réduits au minimum,  des mesures d’équidistance entre pales
doivent êtres effectués afin de définir la classe dans laquelle pourra être considérée l’hélice.

mesure ecart angulaire
                                    

LA VERIFICATION DE LA CLASSE
Les hélices peuvent êtres usinées suivant 3 méthodes principales :

*Hélice de la classe 2
Le meulage manuel
Une fois le brut de fonderie percé en son centre
– l’axe de l’hélice servira de référence tout au long de l’usinage pour la mesure des pales,



Cone usiné sur machinehélice prête pour usinage FRANCE HELICESusinage hélice par meuleur FRANCE HELICES

L’usinage des pales se fera par emerisage manuel des surépaisseurs de fonderie afin d’obtenir une surface sans variation de profil correspondant à une rugosité conforme à la classe recherchée.

*Hélice de la classe 1
Le début de l’opération d’usinage démarrage par l’opération de crantage.
Il faut définir le nombre de sections à cranter et venir par enlèvement de métal, au niveau des
côtes fournies par le plan, puis raccorder les points entre eux en respectant l’évolution du profil de
pale sans créer de vagues entre les points crantés.
Cette opération coûteuse en temps d’usinage implique d’avoir des surépaisseurs du brut de
fonderie avec une précision suffisante pour cranter toutes les pales à la même hauteur.
Puis opérer par meulage manuel pour obtenir l’état de surface désirée

Brochage des cannelures
pitchomètre pour hélice selon norme ISO 484/2

Pitchomètre  électronique


*Hélice de la classe S
Bien qu’il soit possible d’usiner des hélices Classe S par crantage, en augmentant le nombre de
point crantés, cette méthode devient archaïque face à l’usinage en commande numérique.
Bien que la préparation du travail soit longue et coûteuse elle permet ensuite de reproduire l’
hélice sans investissement supplémentaire dans le temps.

Et surtout, avec une précision inégalée de l’ordre de 0.02mm sur 1 mètre un respect des profils de pales pour à la fin augmenter le rendement de l’hélice.


hélice de surface usinée sur machine à commandes numériques

Une fois défini le plan de construction de l'hélice, il faut fabriquer un modèle correspondant.
Ci-dessous la méthode en impression 3D


modèle pale hélice pour fonderie

Il faut suivre dans ce cas la séquence suivante
· Faire le calcul de l’hélice et générer un fichier 3D
· Fabriquer le modèle  et couler le brut en fonderie

Un creuset en cours de remplissage, en photo ci-dessous :

coulée fonderie hélice



Ci-dessous 2 modèles gauche et droite prêts à être moulés en fonderie par
la technique du secteur
modèles hélices droite et gauche


Ici le modèle est monté sur un axe vertical et un plateau diviseur gère la division angulaire entre
chaque pale.

modèle pour hélice 5 palesModèle d’hélice à 5 pales en cours de moulage par la technique dite de la trousse.











Après avoir été chauffé à des températures variant de 1190° à 1280° en fonction de la nature de l’alliage l’hélice sera coulée comme indiqué par le schéma ci-dessus.

La coulée la poche de coulée contient 1600 kgs de métal fondu a 1200°


Méthode de coulée en source
L’hélice est positionnée, le grand coté du cône vers le haut
Une masselotte au moins équivalente à 1 fois le poids de la pièce fini est calculée en fonction
du retrait inévitable lors du refroidissement de la pièce.

coulée en source fonderie pour hélice


fonderie helice marine
Le filtre et la masselotte seront découpés après refroidissement et un ébavurage sera réalisé
avant livraison.
Les résidus de sables liés au moulage seront éliminés par sablage.

Quelques minutes avant de déclencher la coulée, le responsable de la plateforme des fours
prélève un échantillon du bain de coulée et procède à l’analyse chimique du matériau.
Cette mesure permet , le cas échéant, d’affiner l’analyse par adjonction d’ alliages
éventuellement trop bas en pourcentage.

Si l’analyse est conforme la coulée peut être déclenchée.
L’analyse est conservée avec le numéro de coulée afin d’avoir la traçabilité sur toute la chaine
de fabrication.
· A réception du brut vérifier la triangulation des pales après tournage du moyeu



· Transformer le plan 3D en parcours d’outils par l’utilisation d’un post -processeur dédié au
type de commande numérique tel que les lignes de programmation type ci dessous :

N10 M03 S1500
N20 G21
N30 G0 X-294.394 Y-55.087 Z422.569 F2000
N40 G0 Z174.569 F2000
N50 G1 Z139.569 F2000
N60 G1 X-298.926 Y-25.431 F1000
N70 G1 X-294.018 Y-24.681 Z138.971
N80 G1 X-292.63 Y-24.469 Z138.731
N90 G1 X-280.537 Y-22.978 Z137.281
N100 G1 X-266.411 Y-21.461 Z135.582
N110 G1 X-252.287 Y-20.184 Z133.868
N120 G1 X-238.141 Y-19.151 Z132.138
N130 G1 X-223.977 Y-18.355 Z130.385
N140 G1 X-209.81 Y-17.801 Z128.607
N150 G1 X-195.639 Y-17.49 Z126.801

Lancer l’usinage
La figure ci-dessous montre le parcours d’outil généré par le programme sur machine à
commandes numériques 5 axes


sur cette imagusinage dos hélice sur commande numériquee le dos de l’hélice ainsi que le moyeu est entièrement usiné par la fraise- la seule
opération restante est l’ébavurage des parties coupantes.

· Contrôler le résultat final sur une machine de contrôle de pas communément appelée pitchomètre
machine 5 axes france helices pour usinage matériel de précisioncontrole des respects des dimensions selon norme iso484/2rapport hélice selon norme iso 484/2




L'EQUILIBRAGE

L’équilibrage des hélices s’effectue suivant 2 méthodes :


*De façon dynamique
dernière opération équilibrage hélice marine
Soit sur une équilibreuse verticale dont la précision est de 0.1 g 













Soit sur une équilibreuse horizontale pour les hélices de grand diamètre
equilibrage hélice france helices















*De façon statique (photo ci-dessous)

equilibrage hélice à pas variable france helices


La recette finale et l’approbation par les sociétés de surveillance doivent être effectuées sur une machine pour essais de traction (résistance mécanique et allongement)

Afin de permettre la recette de l’hélice, il faut réunir les documents suivants afin de faciliter le
travail des inspecteurs.
· Le plan de l’hélice ayant servi à la fabrication
·Le certificat du fournisseur de lingot ayant servi à la coulée
·L’analyse spectrométrique ayant été réalisée avant coulée
·Le certificat de coulée (date, numéro de coulée du jour, affectation et nom du client)
.Température du bain, numéro interne de fabrication )
·L’analyse mécanique relevée d’après une éprouvette détachée de l’hélice
·Le rapport de contrôle des différentes sections de pales
·Le certificat d’équilibrage suivant la classe
·Le certificat de contrôle du pas aux différents rayons
·Le résultat de l’analyse faite sur le pitchomètre



QUELLE DIFFERENCE

ENTRE CAVITATION ET ELECTROLYSE

J’ai souvent eu l’occasion de constater au cours de ma carrière professionnelle qu’il régnait un
certain flou dans le jugement de certains professionnels du nautisme, lorsqu’il s’agit de
déterminer avec certitude si les dégâts occasionnés aux hélices marines relèvent de la cavitation
ou de l’électrolyse.

J’ai aussi souvent été choqué d’entendre les théories émises, défier sans vergogne les lois de la
mécanique des fluides et les règles fondamentales de la métallurgie des alliages cuivreux.

Cette confusion s’explique en partie du fait que les effets produits par l’un ou l’autre des
phénomènes sont souvent assez similaires du point de vue du résultat, bien que leurs causes
soient différentes ou, ce qui est souvent le cas, elles s’additionnent avec des particularités
identiques quand au résultat.

-Erosion du métal
-Perte de rendement
-Vibrations

J’ai donc jugé utile d’écrire cette note pour permettre aux intéressés de faire le distinguo entre
ces phénomènes et pour démystifier un domaine ou l’imaginaire prend le pas sur la science tout
en limitant au maximum les calculs complexes.

L’aspect visible des phénomènes
Les photographies ci-dessous montent une réelle différence

La photographie montre une attaque électrolytique de pale
hélice avec attaque electrolytique de pale

La photographie montre une attaque électrolytique de moyeu
attaque electrolytique de moyeu

hélice avec cavitation en base de paleLa photographie montre un début de cavitation à la base de la pale











La photographie montre les trois types de cavitation possible
types de cavitation sur hélice

Les photographies supérieures montrent des chancres dispersés sur la pale et sur le moyeu
alors que celle du bas montre une trace circulaire qui épouse parfaitement le profil de la section
de la pale à la base de celle-ci.
La réalité démontre que les chancres d’électrolyse sont toujours dispersés de façon aléatoire
tandis que la cavitation suit toujours le même tracé que celui du fluide, c'est-à-dire un parcours
circulaire à un ou plusieurs rayons donnés.
Il n’en reste pas moins vrai que des chancres dus à l’électrolyse peuvent, lorsqu’ils détériorent le
profil de la pale provoquer dans le prolongement de la section de pale où ils se situent un
phénomène additionnel de cavitation.


LA CAVITATION
Le phénomène de cavitation se distingue principalement sous trois formes distinctes :

1- La cavitation à la base de la pale généralement située sur l’extrados au rayon 0.2/0.5 r

2- La cavitation de pale est généralement plus forte dans les régions de pale fortement chargée au
rayon 0.6/0.8 r

3- La cavitation de bout de pale au rayon 0.9/1 r

La cavitation à la base des pales est généralement due à un angle d’attaque de pale trop
important, celui-ci est lié aux méthodes de fonderie qui, pour éviter de déborder le secteur
angulaire dans lequel s’inscrit la pale oblige le fabricant à augmenter l’angle de pas au niveau de
l’attache de pale.
Cette méthode qui consiste à éviter le recouvrement des pales au niveau du moyeu pour faciliter
la fabrication est doublement néfaste en termes de cavitation.

La cavitation à la base des pales
En effet, le manque de matière lié à une section de pale raccourcie doit être compensée par une
augmentation de l’épaisseur, afin de garantir la rigidité mécanique de la pale et d’encaisser la
poussée produite par celle-ci. L’augmentation démesurée de l’épaisseur de la section entraîne le
décrochement du fluide sur le dos de la section de pale au delà d’une certaine vitesse
circonférentielle.

L’augmentation de l’angle de pas accélère le phénomène en rapprochant le début de la cavitation
du bord d’attaque ce qui a pour effet de creuser un sillon, lui-même amorce de rupture de pale.

schema cavitation


Le tracé de la section en noir montre une section génératrice de cavitation, la section en rose
montre une surface en mm² identique offrant les même caractéristiques mécaniques avec une
réduction importante du risque de cavitation.

La photographie ci-dessous montre un cas typique de ce type de cavitation dorsale à la base du
moyeu
cavitation sur hélice base de pale


L’angle de pas à la base de la pale est plus faible que le pas théorique, la face travaillante est dès
lors en cavitation érosive avec le risque majeur de perdre une pale après seulement quelques
heures de fonctionnement

La cavitation de milieu de pale
Cette cavitation trouve dans la majorité des cas son origine dans un pas d’hélice exagéré dans
un sens ou dans l’autre.
Si le pas est trop fort la cavitation se produira sur le dos de la pale, au contraire si la cavitation se
situe sur la face travaillante de la pale cela signifie que le pas est trop faible à la section
considérée.
Le non respect des profils de section peut aussi conduire à un phénomène cavitant.
La fabrication doit s’approcher des dimensions définies pour chaque section de pale.
Le premier maillon de la chaîne de fabrication, le modelage, revêt une importance capitale s’il
s’agit d’hélices usinées manuellement (Voir la norme ISO 484/2)
Le schéma ci-dessous montre le nombre de points à cranter pour obtenir la précision
souhaitée.


Le plan de modelage doit fournir un tableau nommé tableau de crantage, qui pour chaque section
de pale donne des valeurs en coordonnées, permettant de vérifier les épaisseurs.


La cavitation d’extrémité de pale
pales touchées par cavitation
Cette cavitation se produit immanquablement lorsque la vitesse circonférentielle dépasse la
valeur limite de 50m/s et varie en fonction de la position angulaire de la pale.
L’exemple ci-dessous reproduit les essais fait en tunnel de cavitation pour une hélice à 5 pales et
montre l’apparition et la disparition de la cavitation en fonction de la position de la pale d’hélice.







cavitation sur pale d'hélice
Exemple d’étude
L’apparition de la cavitation est aussi liée à la position relative de la pale par rapport aux
appendices de carène tels chaise d’arbre ou quille pouvant masquer partiellement ou totalement
la pale au passage devant ces appendices. L’exemple le plus marquant est sans doute celui du
chalutier monomoteur ou l’hélice encagée passe dans sa partie supérieure devant un étambot
souvent aussi large que la pale d’hélice elle-même.

Dans certains cas c’est l’utilisation même de l’hélice qui est la cause de la cavitation.
La photographie ci-dessous montre, une hélice parfaitement calculée qui cavite et porte des
traces d’enlèvement de métal sur l’extrados du bord d’attaque.

Cette hélice montée sur une vedette à passagers subit en permanence des accélérations
brutales passant d’une dépression 0 à une dépression maximale en moins d’une seconde – le
résultat ne s’est pas fait attendre –l’hélice est érodée en moins de 2 heures de marche-

En pratique, lors de la montée en régime du moteur l’hélice voie sa charge varier en fonction de
la résistance à l’avancement du navire et une hélice parfaitement calculée du point de vue
dimensionnel soit en diamètre ,qu’en surface de pale peut courir le risque de caviter soit à cause
d’une accélération trop brutale, soit à un point de fonctionnement précis, notamment dans le cas
des coques planantes à proximité de la zone de planning.


IDENTIFICATION
Cavitation                                                                                  Electrolyse
photo cavitation sur pale hélicechancre difforme electrolyse sur helice


La photographie de gauche montre une érosion étirée tandis que celle de droite montre un
chancre difforme.

A gauche un aspect rugueux avec un aspect montrant des cavités rondes accolées les unes aux
autres, le tout mettant en relief la couleur d’origine du métal nu.

A droite des surfaces de couleurs différentes montrent que le matériau est attaqué, l’alliage prend
des couleurs vertes et marron foncé avec un aspect assez lisse et uniforme au fond de la surface
attaquée.


LES MOYENS D’EVITER LA CAVITATION

Le calcul
La cavitation est un phénomène rencontré avec des hélices fortement chargées sur lesquelles
cavitation sur helice au-delà d’un certain nombre de tours critiques, il se produit une cassure progressive du flux
d’eau et par conséquent une chute de la poussée. Ce qui interdit au navire d’atteindre la performance calculée.

Des signes annonciateurs sont perceptibles avant d’arriver à ce stade tels que :

-bruit
-vibrations
-érosion des pales

Une variation importante du facteur de sillage peut en être la cause.
C’est pourquoi le calcul revêt une importance capitale dans la phase d’étude afin de prévenir ce
type de désagrément.

La cavitation se produit quand la pression δp≥ po - pv
po et pv sont des pressions absolues

La méthode la plus usitée est de déterminer le critère cavitant σ
Ce critère peut être calculé ou tiré d’une abaque ou σ est simplement déterminé à partir de Va
par une formule telle que :

σ = 380.94 Va^ -1.802

ce coefficient permet une approche raisonnable du problème mais en cas de risque élevé il
convient de recalculer le critère cavitant pour l’ensemble des rayons de la pale lorsque la pale
est dans la position la plus intéressante pour le calcul soit en position verticale.

Le coefficient σx ( x étant le rayon de la section)
La valeur de la pression hydrostatique σx pour chaque section de pale s’écrit

σx= (Pa+pg(h-xR))/ p/2( Va² +( 2 pi()*Xr) ²)

ou h = profondeur de l’immersion du rayon Xr quand la pale est en position verticale

en général le critère utilisé est σ0.7r , la ou la pale est la plus chargée.


CALCUL PRATIQUE
détermination de la surface de pale minimum
exemple de calcul
Immersion au centre de l’hélice                   2.18 m
Pression hydrostatique                                 510.32 kg/m²
Pression atmosphérique                               10100.00 kg/m²
Pression statique aucentre de l’hélice          10610.32 kg/m²
0,7R vitesse circonferentielle                       24.19 m/sec
u²                                                                   585.14
ve                                                                  5.66 m/s
ve²                                                                 32.02
V²                                                                  617.17
1/2*ρ*V²                                                      32246.99
Critère de cavitation                                    0.33 adimensionnel
Coefficient de Burill Tc                               0.13 adimensionnel
Surface projetée                                           0.68
Surface développée                                      0.76
Surface du disque                                        1.27 m²
Surface de pale minimum                            0.59 %

Une deuxième approche fonction du coefficient d’avance J est couramment utilisée cette
méthode dite des lignes limites indique le risque de cavitation suivant Kruppa.

cavitation

Si la croix se situe sous la ligne rouge il n’y a aucun risque de cavitation
Si elle se situe entre les 2 lignes, le risque est inévitable
Si elle est au dessus le la ligne rose l’hélice est totalement cavitante.

Il faudra alors modifier le dessin de la pale rejetant par le dessin de pale approprié la bulle de
vapeur formée par la cavitation afin de la faire se fermer le plus loin possible du bord de fuite et
d’utiliser cette particularité comme un avantage.
Dans ce cas et au contraire des hélices à écoulement laminaire dont la vitesse circonférentielle
est inférieure à 40m/s ,
Il sera possible de faire travailler l’hélice à des vitesses circonférentielles proche des 100 m/s.
Dans ce cas on pourra appeler ces hélices supercavitantes, alors que lorsque les pales seront en
partie dans l’air (hélices de surface) elles seront nommées superventilées.

bateau hélices de surface et drives de surface sds



helices de surface


LA QUALITE DES MATERIAUX
La résistance mécanique des matériaux et primordiale dans la lutte contre les effets érosifs de la
cavitation. Plus la matière est dure et plus sa résistance mécanique est élevée plus celle-ci
résistera aux explosions générées par la cavitation.
Ainsi, le bronze d’aluminium dont la résistance mécanique est de 630N/mm² sera choisi plutôt
qu’un alliage de laiton du type bronze manganèse dont la résistance mécanique est rarement
supérieure à 540N/mm².

LA QUALITE DE L’USINAGE
Dans le cas d’hélices soumises à de fortes pressions ,le respect des profils et la rugosité
superficielle sont une nécessité afin de repousser le plus loin possible les effets d’érosion.
Le meilleur moyen est l’usinage en commande numérique de l’ hélice.
Pour garantir la précision des profils
La finition par polissage manuel doit correspondre à minima à la classe ISO /DIS 2632
Soit une valeur nominale Ra (um) 0.4



L’ ELECTROLYSE

Le phénomène d’électrolyse peut attaquer la pale à n’importe quel endroit.
Cela dépends du flux de courant et de la position relative des pièces attaquées par rapport à ce
flux
Il n’est pas rare de constater que d’autres pièces sont attaquées telles que les arbres porte
hélices ou les vannes de coque.
helice touchée par electrolyse


De même il n’est pas rare d’observer dans le cas de carènes à double lignes d’arbre qu’un seul
coté est attaqué.

Nous reviendrons plus loin sur les causes ce ces attaques, mais dans ce domaine, il existe la
aussi des confusions à ne pas faire comme par exemple confondre la corrosion galvanique avec
helice attaquée par l'electrolysela corrosion électrolytique.

La corrosion galvanique est liée à l’assemblage de métaux différents dans un milieu conducteur
(l’eau de mer en est un) elle se traduit souvent par un effet de sulfatation à l’endroit de
l’assemblage des pièces soumises au contact d’un milieu salin.

La corrosion électrolytique est générée par un courant extérieur souvent lié à la batterie
électrique du bord ou à une source électrique terrestre reliée ou non à bord
Ceci explique pourquoi dans le cas de la corrosion électrolytique deux métaux de même nature
peuvent se corroder par le phénomène de pile si un des métaux est relié à une source électrique
de polarité inverse.





*La corrosion électrolytique
Dans ce cas l’hélice et l’arbre porte hélice et l’hélice vont se détruire et le métal ainsi enlevé ira
se déposer sur la vanne de coque.
Le métal le moins noble se détériorera plus vite qu’un métal noble mais à la fin même le meilleur
finira par se détériorer.


*La corrosion galvanique
Cette corrosion se produit entre des matériaux dépend essentiellement de la noblesse des
matériaux entre eux. Plus l’écart est grand plus le risque est important
Le tableau ci-dessous exprimé en volts montre les différences entre matériaux.
Les valeurs indiquées sont celles généralement admises, elles peuvent varier en fonction de
facteurs tels que la température ou la salinité.
Les aciers inoxydables deviennent plus actifs dans le cas de rayures ou de concrétions. Afin de
limiter les risques ,il faut lors des usinages éviter les angles vifs et les coups d’outils ou les
rayures dues aux manutentions.

*La corrosion par désoxygènation
Cette corrosion s’applique généralement dans les parties d’arbre d’hélice en contact avec des
matériaux inertes tels que le nitrile des bagues hydrolubes.
L’absence de circulation d’eau entre l’arbre d’hélice et la partie de bague en contact avec
l’arbre, provoque un sillon d’électrolyse épousant parfaitement l’appui sur la bague.


Ce phénomène se produit lorsque la ligne d’arbre est restée immobile durant une période
indéterminée. Il convient pour éviter ce problème de virer la ligne arbre à minima une fois par
semaine. Il faut noter que se phénomène peut se produire même dans le cas d’utilisation des
matériaux les plus nobles.

Suppression des phénomènes électrolytiques
En phase de projet il est utile de déterminer les causes possibles d’électrolyse et d’apporter les
solutions qui conviennent.
En phase d’utilisation une maintenance suivie ainsi qu’une observation minutieuse des pièces
susceptibles d’être attaquées ,le tout doublé de quelques mesures préventives permet d’assurer
la longévité des ensembles propulsifs.

En phase de projet :
Il faut considérer le risque et choisir les matériaux appropriés,
- par exemple s’il s’agit d’un petit navire en fibre de verre ou d’un tanker en acier ;
- la zone de navigation ou la température de l’eau et la salinité peuvent varier de façon importante.
- Les mises à la masse possible des appareils électriques.
- Le fait que les sondes moteur soient bipolaires ou mono polaires (retour par la masse du moteur)

En phase d’utilisation :
- veiller au suivi de la qualité des anodes de protection (en théorie le poids total des anodes fixées
sous la coque est égal à minima à 1% du poids des matières immergées qu’il faut protéger)
Lors des démontages de maintenance (carénage ou grande visite) :
Procéder au ressuage des parties masquées (cônes d’arbres d’hélices, portées de presse étoupes,
portées de bagues hydrolubes).

Ne pas faire d’économies de bout de chandelle
Installer un récupérateur d’énergie en mettant un charbon au contact de l’arbre en rotation et en
reliant celui-ci à la plaque de masse du bord .
De nombreux fabricants livrent en kit ce type de matériel prêt à installer pour chaque diamètre
d’arbre.
-Utiliser des zincs de protection dont la pureté est sure à 99.99% anodes vendues par FRANCE HELICES
anodes disponibles en magasin france helices


De nombreux fabricants utilisent des zincs de récupération ou du zinc pollué par la proximité
d’autres matières dans les fonderies .
Veiller avant toute mise à l’eau à ce que les anodes ne soient pas malencontreusement peintes

-Procéder à un brossage méthodique des vannes de coque notamment lorsqu’elles sont en laiton
si celles-ci sont de couleur rose il convient de les remplacer- ces pièces doivent impérativement
présenter une couleur jaune or.

Des taches éventuelles de couleur argent et rose montrent que la pièce a subie une attaque
électrolytique et qu’elle a perdu a minima 50% de sa résistance mécanique.

Nous conseillons de ne pas peindre les arbres porte hélices ou les hélices ; bien que cela parte d’un bon sentiment le risque est grand de voir se former après quelques jours de mer une bulle
de peinture- bulle sous laquelle va stagner l’eau de mer et provoquer au fil des semaines une belle attaque électrolytique susceptible de provoquer la cassure d’un arbre d’hélice même de grand diamètre.


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