Helice marine

L'hélice est le moyen de propulsion le plus courant pour déplacer un bateau ou un sous-marin. L'application de la propulsion des navires par l'hélice est attribuée à Francis Pettit Smith, John Ericsson et l'ingénieur français Frédéric Sauvage^{[réf. nécessaire]}.

Sommaire 1 Introduction 2 Histoire 2.1 Chronologie 3 Notes et références 4 Voir aussi

Introduction

Contrairement à une idée reçue, les hélices modernes ne se comportent pas comme des vis ; la vitesse de propulsion de l'eau est supérieure à la vitesse que donnerait le produit du pas par le nombre de tours/seconde.

Les premières hélices pensées comme une vis étaient longues et avaient un très mauvais rendement car la vitesse de propulsion de l'eau à l'arrière de l'hélice était limitée à la valeur du pas.

La fonction de l'hélice est de mettre une masse d'eau en mouvement afin de créer une force pour tirer ou pousser une charge, ou pour faire avancer un navire.

Selon sa fonction principale, l'hélice sera grande et tournera lentement pour produire une force, ou petite et rapide pour un hors-bord qui a besoin de puissance.

Selon leur usage le nombre de pales et les formes seront différentes.

• Les hélices à deux pales fixes ou en bec de canard sont utilisées sur des petits voiliers, afin de limiter la traînée lorsque le moteur est à l'arrêt. Le coefficient de remplissage de ces hélices est volontairement réduit à son minimum mais doit supporter l'effort.

• Les hélices à trois pales sont les plus courantes sur les unités moyennes ont un bon rendement en statique (force) et en dynamique (puissance). C'est un bon compromis force/puissance. On les utilise couramment sur les voiliers et les bateaux à moteur. Les voiliers sont parfois équipés d'hélices à trois pales orientables qui permettent de modifier le pas, elles se mettent en drapeau lorsque le moteur est à l'arrêt afin de réduire la traînée.

• Les hélices à quatre pales ont à peu près les mêmes caractéristiques que les hélices à trois pales à coefficient de remplissage égal. Elles ont l'avantage d'être mieux équilibrées et sont moins bruyantes, l'effet de résonance de l'hélice est diminué.

• Les hélices à cinq pales sont principalement utilisées sur les gros navires et sous-marins.

• Les hélices de surface sont utilisées par les vedettes rapides. L'hélice peut tourner très rapidement à la surface de l'eau, car l'effet de cavitation est réduit.

• Les hélices sabre sont principalement utilisées par les navires et sous marins travaillant par petits fonds, afin d'éviter que l'hélice ne se prenne dans la végétation.

Histoire

Dès 1855 tous les ingrédients étaient présents pour comprendre le fonctionnement des hélices marines :

Dans son ouvrage intitulé L'Hélice Propulsive, édition de 1855, E. Paris^[1] décrit les péripéties de l'évolution des hélices marines. Cependant il restait une incompréhension totale pour le calcul des hélices en raison de la conception mentale de l'hélice en tire-bouchon (ou comme une vis). Cette notion perdure encore aujourd'hui.

Premier ingrédient, Page 28 : Le propulseur, ayant éprouvé un choc, fut brisé jusqu'à la moitié de sa longueur, et donna aussitôt de meilleurs résultats.

CHAPITRE II - INTRODUCTION PRATIQUE DE L'HÉLICE PROPULSIVE.

« Dans ce chapitre, je me propose de présenter les incidents les plus importants de l'introduction de l'hélice comme propulseur. Ils commen­cent à l'époque où F.-P. Smith et le capitaine Ericsson s'en occupèrent. Après m'être occupé des inventions pour faire marcher les navires par l'hélice, qui n'ont produit aucun résultat utile, j'ai maintenant à rendre compte de la manière dont ce propulseur a été introduit dans la pratique. »

« En 1835, F.-P. Smith, fermier à Hendon, dirigea de ce côté son atten­tion. Au printemps de 1836, il obtint le concours de M. Wright, ban­quier, et on lui accorda un brevet le 3l Mai 1836. Un bateau-modèle fut alors pourvu d'une hélice en bois, et mis en mouvement sur un étang, à Hendon, et à la galerie Adélaïde, à Londres. Il y fut examiné par sir John Barrow, alors secrétaire de l'amirauté, et par MM. Harris et Bell, d'Alexandrie, qui offrirent d'acheter l'invention pour le pacha d'Egypte, mais cette proposition fut refusée. »

« Les résultats furent si satisfaisants, que M. Smith et ses amis construi­sirent un bateau de six tonneaux, auquel ils mirent une hélice en bois de deux tours : le 1er Novembre 1836, ce bateau marcha sur le canal Paddington et continua à naviguer sur la Tamise jusqu'au mois de Sep­tembre 1837. Le propulseur, ayant éprouvé un choc, fut brisé jusqu'à la moitié de sa longueur, et donna aussitôt de meilleurs résultats : ce qui fit exécuter une nouvelle hélice d'un seul pas. »

Deuxième ingrédient Page 41 : Bidone a trouvé que le choc soudain d'un jet sur une surface est, quand il est permanent, comme 1.84 est à 1

CHAPITRE III - PRINCIPES SCIENTIFIQUES RELATIFS AUX NAVIRES A HELICE

« ... Car l'eau s'échappant d'un réservoir a la même vitesse qu'un corps solide tombant librement de la surface supérieure du réservoir au niveau de la sortie, et, par les lois des corps tombants, la vitesse finale est au juste double de la vitesse moyenne : il est donc clair qu'un jet sortant horizontalement, après avoir acquis le maximum de vitesse due à la hauteur de la colonne, franchira une distance égale à deux fois celle qu'un corps parcourrait en descendant de la surface supérieure à celle de l'orifice. De là Bernouilli inférait que la pression hydraulique accumulée, par laquelle une veine est projetée par un orifice, dans le côté d'un vase, est égale à la colonne du fluide ayant pour base la section de la veine et pour hau­teur deux fois la chute capable de produire la vitesse d'écoulement. »

« La théorie de Bernouilli fut adoptée et développée par Euler qui donne une formule pour l'effet de la percussion d'un jet d'eau sur une surface plane. Soient R, la force d'impulsion avec une percussion permanente; A, l'aire de la veine : H, la hauteur due à la vitesse du jet ; N, la hauteur due à la vitesse de l'eau reflétée ; Φ l'angle de l'eau reflétée avec l'axe. »

« Alors R=2aH(1-(√h/√H)cos Φ). Les expériences de Morosi et de Bidone ont prouvé par des faits matériels les doctrines d'Euler et de Bernouilli à ce sujet. Euler dit que la valeur théorique de la percussion d'une veine fluide, peut augmenter jusqu'à ce qu'elle soit égale au poids d'une colonne de fluide de la même base que la section de la veine et d'une hauteur quatre fois plus grande que celle due à la vitesse de la veine. Bidone a trouvé que le choc soudain d'un jet sur une surface est, quand il est permanent, comme 1.84 est à 1 ; mais cet effet peut être en partie attribué au mouvement acquis par les parties de l'instrument destiné à mesurer la force de percussion. »

Chronologie

Toujours d'après E. PARIS :

• 1752 : Daniel Bernoulli obtient le prix de l'Académie française, pour mouvoir les navires sans la force du vent ; il proposa quelque chose d'analogue aux ailes des moulins à vent, appliquées sur les cotés du navire ; ses roues avaient six pieds de diamètre et elles étaient complètement plongées.
• 1754 : William Emerson (Roues à ailes obliques)
• 1768 : M. Paucton (Vis d'Archimède)
• 1776 : La Tortue de David Bushnell est un sous-marin mû par des hélices
• 1785 : Joseph Bramah (Roues à aubes obliques avec arbre entrant dans le navire au travers d'une boite à étoupe)
• 1794 : Edward Shorter (Sorte de godille, huit hommes au cabestan obtinrent 1 noeud et demi sur le Doncaster)
• 1803 : Charles Dallery obtient un brevet pour une hélice formant deux pas ; une hélice à l'avant et une à l'arrière.
• 1804 : John Stevens Américain (aile de moulin)

• 1816 : Robertson Buchanan mentionne dans un de ses ouvrages des essais faits avec une hélice.
• 1823 : Le Capitaine Delisle présente au ministre de la marine en juin 1823 un mémoire pour un hélice submergée dont la partie centrale était vide.
• 1824 :
  • Un mémoire de Marestier, Ingénieur de la marine sur les navires à vapeur d'Amérique, propose une hélice de plusieurs filets dans un tube faisant la longueur du navire.
  • M. Bourdon (Hélice à pas croissant)

• 1827 : Thomas Tredgold, dans son Traité de la machine à vapeur, explique l'inconvénient des hélices à plusieurs pas ; ses expériences montrent qu'un deuxième pas n'a que très peu d'action.
• 1829 : Charles Cummerow (Hélice placée dans le massif arrière et à un seul filet, gouvernail derrière l'étambot)
• ...
• 1836 : John Ericsson prend le 13 juillet une patente pour un nouveau propulseur formant deux anneaux minces, sortes de cylindres très courts et portant des portions de spirales dans le genre de l'hélice de Delisle. Ce propulseur eut beaucoup de succès et a été le premier employé en France et en Amérique.
• ... James LOWE, Joseph TAYLOR, Frédérick E. FRAISINET, Capitaine SMITH, Peter TAYLOR, John COOPE HADDAN, Georges RENNIE, George HUNT, Capitaine CARPENTIER, MILLES BERRY, Henry WIMSHURTS, George BAXLAND, David NAPIER, William JOEST, Benjamin BIRAM, James HAMER, Comte De DUNDONALD, Thomas SUNDERLAND, Robert WALKER, Elijan GALLOWAY, Joseph MAUDSLAY, Henry DAVIES, Robert HODGSON.
• 1844 : Bennet Woodcroft invente un procédé de changer à volonté l'angle des ailes.
• William FAIRBAIRN, Christopher HAYS, J. BODMER, Frédéric ROSENBORG, George READON Commander, Charles FORRET, Thomas OXLEY, Stephen PARKHURST, Christopher HAYS, John PENN. PARMI, Samuel SEAWARD, Joseph MAUDSLAY, Peter TAYLOR, THOMSON et WRIGHT, John Samuel TEMPLETON, James MONTGOMERY, John BUCHANAN, William HENDWOOD, Conrad H. GREENHOW, John MACINTOSH, Sir Samuel BROWN, Gardiner STOW (New York),

• ...

Notes et références

Traité de l'hélice propulsive - publié sous les auspices de S. Exc. M. DUCOS, Ministre de la Marine et des Colonies - par E. PARIS Capitaine de Vaisseau, Auteur du dictionnaire de marine à vapeur - ARTHUS BERTRAND, EDITEUR - Librairie de la Société de géographie, rue Haute feuille, 21 - De l'imprimerie de CH. LAHURE - 1855

Voir aussi

• Hélice
• Hélice aérienne
• Hélice contrarotative
• Profil (aéronautique)

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