WO2013004736A1

WO2013004736A1 - Helice comportant une plaque de liaison entre son moyeu et chacune de ses pales

Info

Publication number: WO2013004736A1
Application number: PCT/EP2012/063015
Authority: WO
Inventors: Philippe Bossis
Original assignee: ELPHEON
Current assignee: ELPHEON
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2014-01-04
Also published as: FR2977563A1; EP2729356B1; FR2977563B1; EP2729356A1

Abstract

La présente invention se rapporte à une hélice (1) qui comporte un moyeu (2) et un ensemble de pales (4), caractérisée par le fait que : - ledit moyeu (2) présente une épaisseur sensiblement égale à celle des pales (4); - chaque pale (4) est reliée au moyeu (2) par une plaque intermédiaire (3) qui comporte un premier bord (30) de liaison au moyeu (2) et un deuxième bord de liaison (32) à la pale (4) associée, ce deuxième bord (32) ayant une longueur proche ou égale à celle de la base (40) de la pale; - chacune des plaques (3) formant d'une part, avec l'une (23) des deux grandes faces (22, 23) du moyeu (2), dite « face avant », un même premier angle V compris entre 60 et 120° et, d'autre part, avec chaque pale (4), un même second angle W compris entre 60 et 120°.

Description

HELICE COMPORTANT UNE PLAQUE DE LIAISON ENTRE SON MOYEU ET

CHACUNE DE SES PALES

La présente invention se rapporte à une hélice et à un procédé pour sa fabrication.

La plupart des hélices actuellement disponibles sur le marché sont des hélices par exemple en plastique, réalisées par injection de matière plastique, ou en métal, obtenues en fonderie ou en usinage, ce qui entraîne des coûts de fabrication élevés.

La forme des pales des hélices existantes, qui sont généralement disposées les unes par rapport aux autres selon le principe du pas de vis, quand elles sont destinées à un usage dans l'eau, crée une dépression sur l'extrados (c'est à dire la face convexe) et une surpression sur l'intrados (c'est à dire la face concave. L'eau est ensuite éjectée, créant ainsi une poussée.

En milieu liquide, la plupart des hélices disponibles présentent des problèmes de cavitation à vitesse de rotation élevée. La cavitation crée des turbulences, ce qui est loin d'être optimal, car l'écoulement de liquide est laminaire dans des conditions d'utilisation usuelles.

Cette cavitation entraîne une usure prématurée du (ou des) matériau(x) constitutif(s) de l'hélice.

De fait, la plupart des hélices disponibles n'offrent pas un rendement optimal, de sorte qu'elles nécessitent l'utilisation de moteurs puissants, ce qui occasionne une forte consommation d'énergie. Par ailleurs, le pas des hélices existantes est faible.

La plupart de ces hélices existantes ne sont pas construites selon le modèle partie convexe à l'avant et partie concave à l'arrière et ne séparent pas parfaitement les parties convexes (avant) des parties concaves (arrière) : leurs pales peuvent présenter des concavités sur la partie avant et des convexités sur la partie arrière. Ainsi, la présence d'une surface convexe à l'arrière a tendance à créer une aspiration vers l'arrière qui freine la propulsion.

Cette partie convexe a, par ailleurs, tendance à gêner l'écoulement du fluide et à créer des turbulences. De même, la présence d'une concavité à l'avant freine la propulsion et peut être à l'origine de phénomènes de cavitation. Ces hélices offrent moins de poussée en marche arrière qu'en marche avant.

Les formes d'hélices utilisées actuellement en association avec des moteurs électriques sont mal adaptées.

En effet, les moteurs électriques ont un couple plus élevé que celui des moteurs thermiques. De fait, le couple reçu par l'hélice exerce une forte pression sur les pales, entraînant ainsi une usure prématurée des matériaux.

Par ailleurs, le calage doit être très grand pour supporter le couple exercé par le moteur. Toutefois, à partir d'un certain calage, le rendement diminue. De fait, il n'est pas possible de trouver un calage optimal pour les formes d'hélices actuelles, avec un moteur électrique.

Enfin, certaines formes d'hélice ont un moyeu large, produisant une traînée derrière le bateau.

Pour la plupart des hélices existantes, la rotation de l'hélice entraîne des turbulences pouvant perturber le flux, ce qui diminue le rendement de l'hélice.

Par ailleurs, on connaît des structures d'hélices à moyeu massif. Ainsi, on décrit dans le document US-A-2 222 118, une hélice dont la partie centrale reçoit deux pièces massives complémentaires formant ensemble le moyeu.

Les inconvénients liés à cette structure sont notamment les suivants :

L'hélice est formée de plusieurs blocs (moyeu, pales, vis). Elle ne peut structurellement pas être réalisée en un seul bloc et présente des coûts de fabrication et d'assemblage importants, ainsi qu'une plus grande fragilité.

De plus, l'hélice est conçue pour être utilisée dans l'air. Son utilisation dans un liquide conduirait à une usure prématurée des éléments de liaison. Par ailleurs, des pales fabriquées dans un matériau flexible, comme le suggère l'inventeur, sont mal adaptées à une utilisation dans un liquide.

On notera que la force centrifuge transmise au moyeu risque de fragiliser les éléments de liaison, en particulier des collerettes par lesquelles les pales sont fixées au moyeu, et provoquer une usure rapide des matériaux.

Aucune indication n'est donnée concernant la forme des pales, alors que celle-ci est essentielle pour déterminer le rendement de l'hélice. Un mauvais choix de pale conduirait à des performances médiocres et, par exemple, à des phénomènes de cavitation.

Enfin, la forme du moyeu est décrite comme ellipsoïdale. Au cours du fonctionnement de l'hélice, la rotation du moyeu entraîne les particules de fluide situées au contact du moyeu, ce qui génère un écoulement secondaire, avant et après les pales, pouvant perturber l'écoulement du fluide à proximité des pales et diminuer les performances de l'hélice. De plus, la largeur du moyeu crée une forte traînée.

La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients cités ci-dessus.

Ainsi , selon u n premier objet, elle propose une hélice qui comporte un moyeu et un ensemble de pales, qui est remarquable en ce que :

- ledit moyeu présente une épaisseur sensiblement égale à celle des pales ;

- chaque pale est reliée au moyeu par une plaque intermédiaire qui comporte un premier bord de liaison au moyeu et un deuxième bord de liaison à la pale associée, ce deuxième bord ayant une longueur proche ou égale à celle de la base de la pale;

- chacune des plaques formant d'une part, avec l'une des deux grandes faces du moyeu, dite « face avant », un même premier angle V compris entre 60 et 120° , et, d'autre part, avec chaque pale, un même second angle W compris entre 60 et 120° .

Les avantages qui découlent de ces caractéristiques seront décrits plus loin dans la présente demande.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de cette hélice :

- lesdits angles sont égaux et valent préférentiellement 90° ;

- ledit moyeu a un contour en forme de polygone, notamment en forme d'hexagone, un côté sur deux étant relié à une plaque intermédiaire, ou un contour de forme circulaire ;

- ladite plaque est plane ;

- ladite plaque est non plane ;

- quand le moyeu a un contour polygonal et que la plaque est plane, ladite plaque a un contour en forme de triangle, deux côtés de ce triangle constituant respectivement lesdits premier et deuxième bords de liaison, et préférentiellement un contour en forme de triangle rectangle dont l'hypoténuse correspond audit deuxième bord ;

- l'une des faces des pales est concave, de préférence celle orientée du côté des dites plaques, cette concavité ayant :

- une forme de portion de sphère dont le rayon est préférentiellement égal à celui du cercle circonscrit à ladite hélice, ou

- une forme de portion d'ellipsoïde, ou

- une forme de portion de cylindre

- elle est monobloc ;

- elle est réalisée en métal, en plastique ou en bois.

Un autre objet de l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une hélice monobloc et en métal telle que définie plus haut, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape qui consiste, à partir d'une feuille plane prédécoupée, à plier cette feuille pour délimiter le moyeu, les plaques et les pales.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d'une hélice selon l'invention, la face visible de son moyeu étant sa face arrière ;

- la figure 2 est une vue en coupe partielle et transversale d'une partie du moyeu, et de la plaque de liaison, ainsi que de la pale associées ;

- la figure 3 est une vue de dessus simplifiée d'une feuille de métal qui, notamment après pliage, conduira à l'obtention d'une hélice selon l'invention.

En se reportant essentiellement à la figure 1 , on a affaire à une hélice 1 monobloc selon l'invention. Par « monobloc », on entend qu'elle est constituée d'une seule et même pièce.

Cette hélice est réalisée de préférence en métal, préférentiellement inoxydable, mais peut également être réalisée en un autre matériau tel que le plastique ou le bois.

Ainsi qu'on le verra plus en détail ultérieurement, l'hélice 1 est réalisée de préférence par découpe au laser ou au jet d'eau d'une feuille F de métal, puis pliage et galbage des pales. Une autre technique envisageable est l'emboutissage. Mais elle peut aussi être réalisée par rotomoulage, par injection quand elle est en matière plastique, par fonderie, moulage, usinage ou encore sculpture.

Dans le mode de réalisation illustré ici, on a affaire à une hélice 1 dont le moyeu 2 est constitué d'une pièce de métal de faible épaisseur, par exemple de l'ordre de quelques millimètres.

Le moyeu est donc constitué ici d'une pièce de forme plane, et peu épaisse, dépourvue de pièce rapportée ou de surépaisseur qui lui donnerait un aspect volumineux et massif. Cela sous-entend donc que les grandes faces opposées 22 et 23 du moyeu sont directement en contact avec le milieu extérieur lorsque l'hélice est utilisée dans ce milieu (liquide, etc. ).

La référence 20 désigne un orifice central traversant pour l'emmanchement de l'hélice sur l'arbre de sortie rotatif d'un moteur non représenté.

Ce moyeu 2 présente un contour en forme de polygone régulier, en l'occurrence un hexagone. Les côtés de cet hexagone portent la référence 21 .

Le moyeu pourrait avoir une forme différente de celle présentée ici, par exemple à contour circulaire.

A un côté 21 sur deux est associée une pale 4. En l'occurrence, la présente hélice présente trois pales équidistantes angulairement les unes des autres par rapport au centre du moyeu.

Ces pales 4 ne sont pas reliées directement au moyeu 2, mais par l'intermédiaire d'une plaque de liaison 3.

Dans le mode de réalisation présenté ici, ces plaques sont planes et ont un contour en forme de triangle rectangle. L'un des côtés 30 de cette plaque est d'une pièce avec l'un des côtés 21 de l'hexagone constituant le moyeu, tandis que le côté 32 matérialisant l'hypoténuse dudit triangle est relié à la base 40 de la pale associée 4. Ces côtés 30 et 32 ont respectivement une étendue longitudinale égale à celle d'un côté 21 , respectivement de la base 40. Le dernier côté 31 relie les deux précédents.

Dans des variantes non représentées ici, les plaques 3 pourraient avoir une autre forme telle qu'une forme de quadrilatère dans laquelle le sommet commun entre la pale 4, la plaque 3 et le moyeu 2 est remplacé par un segment dont un sommet est commun à la plaque et à la pale et l'autre sommet est commun à la plaque et au moyeu.

Par ailleurs, les plaques 3 ne sont pas forcement planes. Le moyeu 2, et plus précisément sa face 23 tournée vers l'avant AV, forme avec les plaques 3, un même angle V. Celui-ci a préférentiellement une valeur de 90° , mais peut être généralement compris entre 60 et 120° .

Comme le montre plus particulièrement la figure 2, les pales 4 sont galbées, avec une face arrière 41 concave et une face avant 42 convexe.

De manière similaire à ce qui a été dit plus haut, chaque plaque 3 forme avec la face arrière des pales un angle W. Celui-ci a également et préférentiellement une valeur de 90° , mais peut être généralement compris entre 60 et 120° .

Bien entendu, l'hélice est réalisée préférentiellement d'une pièce et sans soudure, mais peut aussi être constituée d'éléments distincts soudés, rivetés ou collés.

En se reportant essentiellement à la figure 3, on définit un cercle

C comme étant le cercle circonscrit à l'hélice 1 , c'est-à-dire le cercle dont le centre est le centre du moyeu G (centre de gravité de l'hélice) et le rayon la distance entre G et l'extrémité d'une pale 4.

Les pales 4 de l'hélice sont toutes identiques, de sorte que l'hélice 1 soit inchangée par rotation de centre G et d'angle 360° /nombre de pales.

Les pales 4 sont des su rfaces d 'épaisseu r identique à celle du moyeu 2 délimitées par trois lignes, en l'occurrence une ligne droite 43 et deux lignes courbes 44 et 45. Les extrémités de chacune de ces lignes peuvent être en arcs de cercle ou former des points anguleux.

Le rayon de courbure de chacune des deux lignes courbes mentionnées précédemment est de préférence égal au rayon du cercle C.

La ligne courbe 44 opposée à l'arête de liaison plaque 3/pale 4, ci- après dénommée première ligne courbe, est un arc du cercle C.

La ligne droite 43 et la seconde ligne courbe 45 partent de l'une et l'autre des extrémités de l'arête de liaison entre la plaque 3 et la pale 4.

L'hélice peut être fabriquée avec ces lignes qui partent indifféremment de l'une ou l'autre de ces extrémités.

L'angle formé entre la liaison plaque 3/pale 4 et la tangente à la seconde ligne courbe 45 passant par le point d'intersection entre ces deux lignes est proche de 100° de préférence, mais peut également prendre d'autres valeurs, par exemple 120° . La face concave 41 de chaque pale 4 est de préférence celle qui est située du côté de la plaque 3. Il est préférable que celle-ci soit une portion de sphère dont le rayon est le même que celui du cercle C.

Il est nécessaire que la pale 4 soit réalisée de telle sorte que la partie convexe soit dirigée vers l'avant AV de la pale et la partie concave vers l'arrière AR, de telle sorte que la pale ne présente pas de convexités sur la partie concave ou de concavités sur la partie convexe. Autrement dit, aucune partie du bord avant convexe de la pale ne présente de concavité et aucune partie du bord arrière concave de la pale 1 ne présente de convexité.

Comme indiqué plus haut, l'hélice est préférentiellement obtenue par découpage d'une feuille plane F, pliage de celle-ci pour obtenir l'angle V et W et délimiter les plaques 3, puis mise en forme du galbe des pales 4.

La même hélice 1 peut être utilisée aussi bien en marche avant qu'en marche arrière, en changeant son sens de rotation.

Les mêmes principes de fabrication et de fonctionnement d'hélice peuvent être appliqués pour différents fluides, en particulier l'eau et l'air et pour différentes utilisations (produire un mouvement, créer une aération, produire de l'énergie...).

Toutefois, la forme des pales 4 de l'hélice doit être adaptée selon le fluide, en particulier la longueur du rayon du cercle circonscrit C, l'angle formé entre la ligne droite de la pale 4 et l'arrête de liaison plaque 3-pale 4, l'angle formé entre la tangente à la ligne courbe de la pale 4 et l'arête de liaison plaque-pale, et le galbe de l'hélice.

En particulier, en écoulement laminaire, la forme de la pale est préférentiellement une portion de sphère alors qu'en écoulement turbulent, la pale peut être plus incurvée (portion d'ellipse ou de cylindre, éventuellement recourbée à l'extrémité)

On décrit ci-après le fonctionnement de l'hélice dans un référentiel lié au fluide [référentiel du courant], pour un mouvement de traction d'un bateau. Le principe est similaire pour un mouvement de propulsion. Il peut être aisément étendu au mouvement d'accélération d'un fluide pour lequel l'hélice reste statique et donne un mouvement à un fluide ou à la production d'électricité, pour laquelle l'hélice entraînée par le fluide entraîne un alternateur.

On appelle extrados d'une pale 4 le côté convexe de la pale et intrados, le côté concave. Le sens de rotation des pales est illustré par la flèche f aux figures

1 et 3.

Les effets décrits ici valent pour les trois pales 4:

- L'eau est plus accélérée sur le bord convexe que sur le bord concave de la pale 4. L'effet Venturi a donc tendance à créer une traction qui attire la pale 4 vers le côté convexe ;

- Les particules d'eau en contact avec le bord convexe de la pale 4 reçoivent une certaine quantité de mouvement communiquée par la pale (il se crée un gradient de vitesses à proximité de la pale). Le vecteur vitesse des particules de fluide au contact de la pale est dirigé suivant la tangente en chaque point de la pale.

Les particules ainsi accélérées une première fois au contact de la partie convexe de la pale 4 vont être accélérées une deuxième fois au contact de la partie concave de la pale suivante. Par ce mécanisme, les particules reçoivent deux fois de la quantité de mouvement au contact de l'hélice, alors que dans une hélice classique, la quantité de mouvement est généralement transmise aux particules une seule fois.

La forme des pales ordonne le flux de telle sorte que les vecteurs vitesses de l'essentiel des particules soient orientés selon des directions proches après le passage de la pale. Le fait de transmettre deux fois de la quantité de mouvement aux particules augmente la vitesse de ces particules en sortie, donc la force propulsive de l'hélice, et par conséquent son rendement.

- Les plaques 3 stabilisent l'écoulement:

D'une part, elles créent un effet de portance qui soutient l'hélice 1 et stabilise la force exercée sur le moyeu 2.

D'autre part, les particules de fluide au contact du moyeu 2 sont entraînées dans un mouvement de rotation, par lequel le moyeu transmet une quantité de mouvement aux particules.

Une particule située en OM(t), recevant une vitesse V à l'instant t, se trouve à l'instant t+dt en OM(t+dt)=OM(t)+V dt (où les éléments soulignés désignent un vecteur).

Pour une hélice classique, si une particule située sur la face avant du moyeu 2 est suffisamment proche du pourtour du moyeu, alors elle est éjectée en dehors du moyeu et peut éventuellement toucher une pale 4 ou passer de l'autre côté de l'hélice suivant sa position. Dans le cas de l'hélice décrite ici, une partie des particules (environ 50%) qui devraient être éjectées se trouvent « capturées » par une plaque de liaison 3. Cette plaque communique à ces particules un surcroît de quantité de mouvement, de sorte qu'une partie du flux de particules au contact de la plaque 3 est soit captée par la plaque de la pale 4 suivante, soit directement captée par la pale suivante, auquel cas les particules seront à nouveau accélérées par la pale et participeront au mouvement propulsif de l'hélice.

La forme des pales 4 doit être choisie pour trouver le meilleur compromis entre deux contraintes :

- d'une part, une forte convexité permet d'accélérer plus les particules de fluide le long de la pale.

- d'autre part, une forte convexité augmente la traînée.

Ainsi, expérimentalement, on constate qu'une forme de pale en portion de sphère - dont le rayon est proche du rayon du cercle C - permet de trouver un bon compromis entre ces deux contraintes.

La transmission de la quantité de mouvement au voisinage de chaque pale 4 [et plus généralement au voisinage d'une surface au contact d'un fluide - donc en particulier au niveau des plaques 3] s'établit comme suit:

Au contact de la pale, la vitesse normale des particules de fluide à la surface de la pale est nulle.

La vitesse tangentielle d'une particule de fluide est égale à la vitesse du point de la pale au contact de la particule de fluide

Au voisinage de la pale, à l'intérieur de la couche limite existe un gradient de vitesse

Expérimentalement, la forme les plaques de la présente hélice augmente la taille du pas par rapport aux hélices classiques, donc la distance parcourue par tour d'hélice. Le moteur doit donc fournir moins d'énergie pour propulser une embarcation à une vitesse donnée.

Claims

REVENDICATIONS

1. Hélice (1 ) qui comporte un moyeu (2) et un ensemble de pales (4), caractérisée par le fait que :

- ledit moyeu (2) présente une épaisseur sensiblement égale à celle des pales (4) ;

- chaque pale (4) est reliée au moyeu (2) par une plaque intermédiaire (3) qui comporte un premier bord (30) de liaison au moyeu (2) et un deuxième bord de liaison (32) à la pale (4) associée, ce deuxième bord (32) ayant une étendue longitudinale proche ou égale à celle de la base (40) de la pale;

- chacune des plaques (3) formant d'une part, avec l'une (23) des deux grandes faces (22, 23) du moyeu (2), dite « face avant », un même premier angle V compris entre 60 et 120° , et, d'autre part, avec chaque pale (4), un même second angle W compris entre 60 et 120° .

2. Hélice selon la revendication 1 , caractérisée par le fait que lesdits angles sont égaux et valent préférentiellement 90° .

3. Hé lice se lon l ' u ne des revend i cati ons p récéden tes , caractérisée par le fait que ledit moyeu (2) a un contour en forme de polygone, notamment en forme d'hexagone , un de ses côtés (21 ) sur deux étant relié à une plaque (3) intermédiaire, ou que ledit moyeu a un contour de forme circulaire.

4. Hé lice selon l'u ne des revend ication s p récéden tes , caractérisée par le fait que ladite plaque (3) est plane.

5. Hélice selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que ladite plaque (3) est non plane.

6. Hélice selon la revendication 3 quand le moyeu a un contour polygonal, prise en combinaison avec la revendication 4 ou 5, caractérisée par le fait que ladite plaque (3) a un contour en forme de triangle, deux côtés de ce triangle (30, 32) constituant respectivement lesdits premier et deuxième bords de liaison, et préférentiellement un contour en forme de triangle rectangle dont l'hypoténuse correspond audit deuxième bord (32).

7. Hélice selon l ' u ne des reven d ications p récéden tes , caractérisée par le fait que l'une (41 ) des faces (41 , 42) des pales (4) est concave, de préférence celle (4) orientée du côté des dites plaques (3), cette concavité ayant : - une forme de portion de sphère dont le rayon est préférentiellement égal à celui du cercle circonscrit à ladite hélice, ou

- une forme de portion d'ellipsoïde, ou

- une forme de portion de cylindre.

8. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est monobloc.

9. Hélice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est réalisée en métal, en plastique ou en bois.

10. Procédé de fabrication d'une hélice (1) selon les revendications 8 et 9 prises en combinaison, ladite hélice étant en métal, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape qui consiste, à partir d'une feuille (F) plane prédécoupée, à plier cette feuille pour délimiter le moyeu (2) , les plaques (3) et les pales (4).