Hélice marine

Hélice de navire

Principe du propulseur vertical Voith Schneider qui permet d'orienter le flux, arrière, gauche, droite.

L'hélice est le moyen de propulsion le plus courant pour déplacer un bateau ou un sous-marin.

En France, la promotion de la propulsion des navires par l'hélice est attribuée à l'ingénieur français Frédéric Sauvage qui mena ses premières expériences dès 1832.

A l'étranger, le hasard a voulu que lors de ses travaux menés à partir de 1835 sur ce mode de propulsion, Francis Pettit Smith, un fermier et inventeur anglais, ait cassé un morceau de son hélice lors d'un essai, ce qui a aussitôt donné de meilleurs résultats qu'avec le prototype entier. F.P.Smith et John Ericsson un inventeur suédois qui collaborait avec lui, ont contribué au développement de la propulsion par hélice d'abord aux États-Unis, puis en Angleterre, en Suède et en France.

Dans de nombreux pays les hélices se nomment vis, screw-propellers en anglais. Contrairement à une idée reçue, la propulsion par hélice est le résultat d'une impulsion « comme le fait une balle de tennis sur une raquette, et non d'un entrainement comme le fait une vis. » Pour les hélices courtes, la vitesse de l'eau derrière l'hélice est conforme aux résultats décrits par les recherches de Morosi et Bidone : légèrement inférieure à deux fois la vitesse que donnerait une hélice longue comme on la concevait avant 1837.

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. La théorie thermodynamique et mécanique physique de l'hélice est bien connue et est enseignée en hydrodynamique.

Il existe d'autres moyens modernes de propulsion tel le système Voith Schneider. Ce ne sont pas des propulseurs qui reçoivent une impulsion comme les hélices, mais des systèmes à entraînement comme autrefois les roues à aubes. Ces systèmes sont très pratiques dans les manœuvres de port par la facilité d'orientation du jet. Les turbines centrifuges sont peu utilisées, leur rendement est moins bon.

Histoire

Dès 1855 tous les ingrédients étaient présents pour comprendre le fonctionnement des hélices marines^[1] :

Dans son ouvrage intitulé L'Hélice propulsive, édition de 1855, E. Paris^[2] 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.

C'est donc en septembre 1837 que l'événement s'est produit ce qui a été un tournant dans la propulsion maritime par hélice.

Histoire de l'hélice par les brevets, de 1752 à 1837

Toujours d'après E. Paris :

Hélices de la Tortue de Bushnell

• 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 côtés du navire ; ses roues avaient six pieds de diamètre et elles étaient complètement plongées.

Les prises de brevets les plus remarquables :

• 1754 : William Emerson (Roues à ailes obliques) On s'est souvent servi en France de roues à ailes obliques établies dans une boîte conique et nommées Danaïdes ou roues à poires; La base du cône était la partie supérieure par où entrai l'eau. Emerson dans ses Principles of mechanics, donna un dessin d'un arrangement de ce genre et l'idée d'un pas croissant.
• 1768 : Alexis-Jean-Pierre 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 nœud 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 à vent)

Figures 1 et 2 de l'hélice du Capitaine Delisle

• 1823 : Au mois de juin, le Capitaine Delisle^[5] présenta au ministre de la marine un mémoire sur une manière de faire marcher les navires, au moyen d'une hélice submergée, semblable à quelques-unes déjà mentionnée, mais dont la partie centrale était vide comme le montrent les figures 1 et 2. La surface en hélice était disposée en cinq filets, autour du cercle extérieur, et la longueur totale était le cinquième du pas. Cette disposition avait été proposée pour les moulins à vent par Ferensson, dans ses lectures sur la philosophie naturelle.
  Le mémoire de Delisle n'eut point de résultat et fut complètement oublié, jusqu'à ce que la réussite de l'hélice portât à faire des recherches sur son origine.
• 1824 :
  • Un mémoire de Jean-Baptiste 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 : Le 31 mai, Francis Pettit Smith fut patenté pour une hélice formant deux pas placée dans l'arrière et recevant le mouvement d'une roue d'angle descendant sur le pont.
• 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.

Auteurs de brevets après 1837 et jusqu'en 1851

Hélice de 1843. Conçue par C F Wahlgren basée sur celle de John Ericsson. A équipé le vapeur Flygfisken, construite au chantier Motala.

Jusqu'en 1855 date de la parution de son traité, les prises de brevets se multiplient sans apporter d'innovation remarquable jusqu'en 1851, sauf peut-être celle de Bennet Woodcroft (en) en 1844.

Évolution après 1850

Les hélices se raccourcirent et dés 1860 on vit apparaître des hélices genre "ailes de moulins" à quatre pales dont la forme carrée des extrémités créaient des remous parasites.

Au XX^e siècle, le développement de la thermodynamique et de la mécanique physique ont permis de mieux comprendre ce qui se passe globalement entre l'entrée du fluide, l'eau, et sa sortie propulsée, dont les résultats sont conformes aux expériences de Morosi et Bidone. Ce qui se passe entre la sortie et l'entrée est du domaine de la mécanique des fluides. On comprend alors que la propulsion obtenue est le résultat d'un impact et non d'un entrainement et que ce que l'on avait nommé le "recul" n'est autre qu'une perte d'énergie entropique due au désordre provoqué par l'impact.

Dans la seconde moitié du XX^e siècle, on cherche à améliorer les performances des voiliers de course croisière équipés d'hélices propulsives. La forme des pales ayant moins d'importance, en dehors du fait qu'une hélice de forme hélicoïdale aura une pression plus uniforme sur la surface des pales, on a toute facilité de formes pour construire des hélices à pas variable et des hélices à pales repliables.

Formes et usages des hélices propulsives

Exemple d'hélice sabre utilisé sur les sous-marins

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, elles 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.

L'hélice dans les propulseurs d'étrave

Dans un système propulsif où les hélices sont inclues dans un tube il est nécessaire que le tube soit court, ou agrandi aux extrémités, afin de ne pas diminuer le rendement propulsif.

Les hélices utilisées sont semblables aux hélices propulsives. Sur les petites unités elles peuvent être en plastique et occupent le diamètre du tube.

Le meilleur rendement est obtenu par l'hélice libre descendue pour l'usage sous la coque et occultée en navigation.

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, éditeur - 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)
• Propulsion maritime

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