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Hélice (marine)

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La rotation de la Hamilton Standard 54H60 hélice sur un US Navy Numéro quatre le moteur de EP-3E Orion dans le cadre de vérifications avant le vol

Une hélice est essentiellement un type de ventilateur qui transmet la puissance en convertissant mouvement de rotation en la poussée pour la propulsion d'un véhicule tel qu'un aéronef, navire ou sous-marin à travers une masse tel que l'eau ou l'air , en faisant tourner deux ou plusieurs lames torsadées autour d'un axe central, d'une manière analogue à la rotation d'un visser à travers un solide. Les lames d'un acte de l'hélice que tournante ailes (les pales d'une hélice sont en fait ailes ou pales) et force de produits par l'application à la fois Le principe de Bernoulli et la troisième loi de Newton , en générant une différence de pression entre les surfaces avant et arrière de la profil aérodynamique en forme de lames et en accélérant une masse d'air vers l'arrière.

Histoire

Le principe utilisé dans l'aide d'une hélice à vis est utilisé en godille. Il fait partie de la compétence de propulser un Vénitien gondole, mais a été utilisé d'une manière moins raffiné dans d'autres parties de l'Europe et probablement ailleurs. Par exemple, un propulseur canot avec une pagaie simple utilisant une "J-AVC» implique une technique identique connexes mais non. En Chine, la godille, appelé "lu", a également été utilisé par le 3e siècle de notre ère.

En aviron, une seule lame est déplacé à travers un arc, de gauche à droite en prenant soin de garder la présentation de la lame à l'eau à l'angle efficace. L'innovation apportée par l'hélice a été l'extension de cet arc à travers plus de 360 ° par la fixation de la lame à un arbre rotatif. En pratique, il est presque toujours plus d'une lame de manière à équilibrer les forces en présence. L'exception est un à lame unique du système d'hélice.

L'origine de l'hélice de vis réelle commence par Archimède , qui a utilisé une vis pour élever l'eau pour les bateaux d'irrigation et écoper, si célèbre qu'il est devenu connu comme le Vis d'Archimède. Ce était probablement une demande de mouvement en spirale dans l'espace (spirales étaient une étude spéciale d'Archimède ) à une roue à eau segmenté creuse utilisée pour l'irrigation par Egyptiens depuis des siècles. Leonardo da Vinci a adopté le principe de conduire son hélicoptère théorique, croquis dont impliqué une grande tête de vis de la toile.

En 1784, JP Paucton proposé un avion de gyrocoptère comme avec les mêmes vis à la fois pour sustentation et de propulsion. À la même époque, James Watt a proposé l'aide de vis pour propulser les bateaux, même se il ne les utilise pas pour ses machines à vapeur. Ce ne était pas son invention, si; Toogood et Hays avait breveté un siècle plus tôt, et il était devenu un usage rare comme un moyen de propulser les bateaux depuis ce temps.

En 1827 Josef Ressel avait inventé une hélice qui avait plusieurs lames fixées autour d'une base conique; cette nouvelle méthode de propulsion permis bateaux à vapeur de voyager à des vitesses beaucoup plus sans utiliser voiles rendant Voyage de l'océan plus vite. Hélices resté extrêmement inefficace et peu utilisée jusqu'en 1835, lorsque Francis Pettit Smith a découvert une nouvelle façon de hélices de construction. Jusqu'à ce moment-là, les hélices étaient littéralement vis, d'une longueur considérable. Mais au cours de l'essai d'un bateau propulsé par un, la vis cassé, laissant un fragment en forme un peu comme une hélice de bateau moderne. Le bateau déplacé plus rapidement avec l'hélice cassée.

A peu près au même moment, Frédéric Sauvage et John Ericsson appliqué pour les brevets sur vaguement similaire, bien que moins efficace raccourci hélices, conduisant à une controverse apparemment permanent de savoir qui est l'inventeur officiel entre ces trois hommes. Ericsson est devenu largement célèbre quand il a construit le "Moniteur" un cuirassé qui en 1862 triumphedover États confédérés » Merrimac dans une bataille américaine de la mer guerre civile.

La première hélice à être alimenté par une moteur à essence, monté sur un petit bateau (maintenant connu comme un bateau à moteur) a été installé par Frederick Lanchester, également de Birmingham. Cela a été testé dans Oxford . La première utilisation le «monde réel» d'une hélice était par David Bushnell, qui a utilisé hélices alimenté à la main pour motiver son sous-marin "Tortue" en 1776.

A la Première Guerre mondiale hélice d'avion en bois sur un établi.

Le tordu aérodynamique (aile) forme des hélices d'avions modernes a été lancée par les frères Wright quand ils ont constaté que toutes les connaissances existantes sur les hélices (surtout navale) a été déterminée par essais et erreurs et que personne ne savait exactement comment ils ont travaillé. Ils ont constaté que l'hélice est essentiellement la même qu'une aile et ainsi ont pu utiliser les données compilées à partir de leurs expériences antérieures en soufflerie sur les ailes. Ils ont également constaté que le rapport l'angle d'attaque du mouvement vers l'avant de l'avion est différente pour tous les points le long de la longueur de la lame, donc il est nécessaire d'introduire une torsion le long de sa longueur. Leurs pales de l'hélice d'origine ne sont que d'environ 5% moins efficace que l'équivalent moderne, quelque 100 ans plus tard.

Alberto Santos Dumont était un autre pionnier, ayant hélices conçus avant les frères Wright (quoique pas aussi efficace) pour ses dirigeables. Il a appliqué la connaissance qu'il a acquise des expériences avec des dirigeables pour faire une hélice avec un arbre en acier et lames en aluminium pour son biplan 14 bis. Certains de ses dessins utilisé une feuille d'aluminium pliée pour les lames, créant ainsi une forme aérodynamique. Ceux-ci sont fortement undercambered cause de cela et combinées avec l'absence d'une torsion de la longueur rendus moins efficaces que les hélices Wright. Même ainsi, ce était peut-être la première utilisation de l'aluminium dans la construction d'une hélice.

Aviation

hélices d'avions (hélices)

Une hélice de l'efficacité est déterminée par

\ Eta = \ frac {\ hbox {poussée} \ cdot \ hbox {vitesse axiale}} {\ hbox {résistance de couple} \ cdot \ hbox {vitesse de rotation}} .

Une hélice bien conçu a généralement un rendement d'environ 80% lors de l'utilisation dans le meilleur régime. Les modifications apportées à l'efficacité d'une hélice sont produites par un certain nombre de facteurs, notamment les ajustements à la angle d'hélice (θ), l'angle entre la vitesse relative résultante et le sens de rotation de la lame, et à inclinaison de la lame (où θ = Φ + α). Tangage et hélice de très petits angles donnent une bonne performance contre la résistance, mais fournissent peu poussée, tandis que les grands angles ont l'effet inverse. Le meilleur angle d'hélice est lorsque la lame agit comme une aile produire beaucoup plus de portance que glisser.

Les hélices d'un Hercules de la RAF C.4 en position de plume

Hélices sont similaires dans la section aérodynamique à une faible glisser aile et en tant que tels sont pauvres en fonctionnement quand au autre que leur optimum angle d'attaque. Les systèmes de contrôle sont nécessaires pour contrer la nécessité d'un ajustement précis de la hauteur à la vitesse de vol et de la vitesse du moteur.

Le but de l'angle de pas variable avec une hélice à pas variable est de maintenir un angle d'attaque optimal (de levée maximale au rapport de la résistance) sur les pales de l'hélice en tant que vitesse de l'aéronef varie. Paramètres de commande de pas ont été pilotés début, soit à deux positions ou variable manuellement. Plus tard, hélices automatiques ont été développés pour maintenir un angle d'attaque optimum. Ils ont fait cela en équilibrant le moment de torsion centripète sur les lames et un ensemble de contrepoids contre un ressort et les forces aérodynamiques sur la lame. Accessoires automatiques avaient l'avantage d'être simple et ne nécessitant pas de contrôle externe, mais la performance de l'hélice était notamment difficile de faire correspondre avec celle de la motorisation de l'avion. Une amélioration du type automatique est le hélice à vitesse constante. Hélices à vitesse constante permettre au pilote de sélectionner une vitesse de rotation de puissance maximale du moteur ou de l'efficacité maximale, et un hélice agit comme un régulateur en boucle fermée contrôleur pour faire varier l'angle de pas de l'hélice de façon à maintenir la vitesse de rotation commandé par le pilote. Dans la plupart des avions de ce système est hydraulique, de l'huile de moteur servant de fluide hydraulique. Cependant, les hélices à commande électrique ont été développées au cours de la Seconde Guerre mondiale et a vu l'utilisation extensive sur des avions militaires.

Une pale d'hélice en position plumes

Sur certains hélices à pas variable, les lames peuvent être tournés parallèle à la circulation de l'air pour réduire la traînée et augmenter la distance de glisse en cas d'une panne de moteur. Cela se appelle en drapeau. Adoucir hélices ont été développées pour les militaires avions de combat avant la Seconde Guerre mondiale, en tant que combattant est plus susceptible de connaître une panne de moteur en raison du danger inhérent de combat. Hélices en drapeau sont utilisés sur des aéronefs multimoteurs et visent à réduire la traînée sur un moteur en panne. Lorsque utilisé sur planeurs propulsés et la turbine monomoteur avion alimenté ils augmentent la distance de plané. La plupart des systèmes de mise en drapeau pour moteurs alternatifs détectent une chute de pression d'huile et se déplacent les lames vers la position de plume, et nécessitent le pilote à tirer le contrôle prop arrière pour dégager les goupilles de butée haute de hauteur avant que le moteur atteint ralenti RPM. Les systèmes de commande utilisent généralement turbopropulseur un capteur de couple négatif dans la boîte de réduction qui déplace les lames vers plume lorsque le moteur ne fournit plus la puissance à l'hélice. Selon la conception, le pilote peut avoir à appuyer sur un bouton pour annuler les arrêts de grande hauteur et de terminer le processus de mise en drapeau, ou le processus de mise en drapeau peut être totalement automatique.

Dans certains appareils (par exemple, le Hercules C-130), le pilote peut modifier manuellement le mécanisme de vitesse constante pour inverser l'angle d'inclinaison de la lame, et donc la poussée du moteur. Il est utilisé pour aider à ralentir l'avion après l'atterrissage afin d'économiser l'usure des freins et des pneus, mais dans certains cas, permet également l'avion de sauvegarder sur son propre.

Une autre considération est le nombre et la forme des lames utilisées. L'augmentation de la rapport d'aspect des lames réduit la traînée, mais la quantité de poussée produite dépend de la région lame, de sorte que les lames à l'aide d'aspect élevé peut conduire à la nécessité d'un diamètre d'hélice qui est inutilisable. Un autre est que l'équilibre en utilisant un plus petit nombre de lames réduit les effets d'interférence entre les lames, mais d'avoir la zone de lame suffisante pour transmettre la puissance disponible dans un diamètre de consigne des moyens de compromis est nécessaire. Augmenter le nombre de lames diminue également la quantité de travail chaque lame est nécessaire pour effectuer, en limitant la locale Nombre de Mach - une limite de performance significatif sur les hélices.

L'hélice tripale d'un avion léger: le Vans RV-7A

Hélices contrarotatives utilisent une seconde hélice en rotation dans le sens inverse immédiatement «en aval» de l'hélice principale de manière à récupérer l'énergie perdue dans le mouvement tourbillonnaire de l'air dans le sillage de l'hélice. Contre-rotation augmente également la puissance sans augmentation du diamètre de l'hélice et fournit un compteur à l'effet de couple de moteur à piston à haute énergie ainsi que la effets gyroscopiques de précession et de la turbulence de sillage. Cependant, sur de petits avions l'ajout d'un coût, la complexité, le poids et le bruit du système font rarement la peine.

L'hélice est généralement fixé à la vilebrequin du moteur, soit directement, soit à travers un boîte de vitesses. Avions légers renoncer parfois le poids, la complexité et le coût de la transmission, mais sur certains avions de plus grande et certains aéronef à turbopropulseur, il est essentiel.

La performance d'une hélice souffre comme la vitesse de la lame est supérieure à la vitesse du son. Comme la vitesse relative de l'air à la lame est la vitesse de rotation ainsi que la vitesse axiale, une pointe de pale d'hélice va atteindre la vitesse sonique quelque temps avant le reste de l'appareil (avec une lame théorique de la vitesse de l'avion maximale est d'environ 845 kilomètres par heure (Mach 0,7) à niveau de la mer, en réalité ce est plutôt inférieur). Quand une extrémité de la lame devient supersonique, glisser et l'augmentation de la résistance de couple soudainement et ondes de choc forment la création d'une forte augmentation du bruit. Avions à hélices classiques, par conséquent, ne vole pas en général à plus de Mach 0,6. Il ya certains avions à hélices, généralement militaire, qui ne fonctionne à Mach 0,8 ou plus, bien qu'il y ait baisse considérable hors de l'efficacité.

Il ya eu des efforts pour développer des hélices pour avions à des vitesses subsoniques élevées. La «solution» est similaire à celui de conception de l'aile transsonique. La vitesse relative maximale est maintenue aussi basse que possible par un contrôle soigneux de la hauteur pour permettre aux lames d'avoir de grands angles d'hélice; les sections de lames minces sont utilisés et les lames sont décalés vers l'arrière dans un forme de cimeterre ( Scimitar hélice); un grand nombre de lames sont utilisés pour réduire le travail par lame et ainsi la circulation de force; contra-rotation est utilisé. Les hélices conçus sont plus efficaces que les turbo-ventilateurs et leur vitesse de croisière (Mach de 0,7 à 0,85) est adapté pour des avions de ligne, mais le bruit généré est énorme (voir le Antonov An-70 et Tupolev Tu-95 pour des exemples d'une telle conception).

les fans d'aéronefs

Un ventilateur est une hélice avec un grand nombre de lames. Un ventilateur produit donc beaucoup de poussée pour un diamètre donné, mais la proximité des pales signifie que chacun affecte fortement la circulation autour des autres. Si le débit est supersonique, cette interférence peut être bénéfique si le débit peut être comprimé par une série d'ondes de choc plutôt qu'une seule. En plaçant le ventilateur dans un conduit en forme - un ventilateur soufflant - modèles de flux spécifiques peuvent être créés en fonction de la vitesse de vol et les performances du moteur. Comme l'air pénètre dans le conduit, sa vitesse est réduite et augmentation de la pression et de la température. Si l'avion est à une vitesse subsonique élevé cette crée deux avantages - l'air entre le ventilateur à une vitesse de Mach inférieur et la température plus élevée augmente la vitesse locale du son. Bien qu'il y ait une perte d'efficacité que le ventilateur se appuie sur une zone plus petite du flux libre et donc utilisant moins d'air, ce est équilibré par le ventilateur soufflant en conservant l'efficacité à des vitesses plus élevées où l'efficacité de l'hélice conventionnelle serait pauvres. Un ventilateur soufflant ou l'hélice a aussi certains avantages à des vitesses plus faibles, mais le conduit doit être en forme d'une manière différente à l'un pour le vol à vitesse plus élevée. Plus l'air est pris dans le ventilateur et fonctionne donc à une efficacité équivalente à une hélice non canalisé plus grande. Le bruit est également réduite par la canalisation et une lame doit se détacher du conduit devrait contenir les dommages. Cependant le conduit ajoute du poids, le coût, la complexité et (à un degré certain) glisser.

Voir également Éolienne hélice.

Hélices à axe transversal

La plupart des hélices ont leur axe de rotation parallèle à l'écoulement de fluide. Il ya cependant eu quelques tentatives pour propulser les véhicules avec les mêmes principes sous-jacents éoliennes à axe vertical, où la rotation est perpendiculaire à l'écoulement du fluide. La plupart des tentatives ont été infructueuses. Lames qui peuvent varier leur angle d'attaque lors de la rotation ont aérodynamisme similaires à vol battu. Vol battu est encore mal comprise et presque jamais sérieusement utilisé dans l'ingénierie en raison de la forte couplage des forces ascenseur, poussée et de contrôle.

Le fanwing est l'un des quelques types qui a effectivement parcourues. Il profite du bord de fuite de l'élément profilé pour aider à encourager la circulation nécessaire pour ascenseur.

Le Voith-Schneider hélice photo ci-dessous est un autre exemple de réussite, opérant dans l'eau.

Marin

Une hélice du propulseur est le plus courant à bord des navires, ce qui confère une impulsion de fluide qui provoque une force d'agir sur le navire.

L'efficacité de tout idéal hélice de taille est celle d'un disque d'actionnement dans un fluide idéal. Une hélice marine réelle est constitué de sections de surfaces hélicoïdales qui agissent ensemble «vissage» dans l'eau (d'où le commun de référence pour les hélices marines comme « vis »). Trois, quatre, ou cinq lames sont les plus courantes dans les hélices marines, même si les conceptions qui sont destinés à fonctionner à bruit réduit auront plusieurs lames. Les lames sont attachés à un patron (hub), qui devrait être aussi petit que les besoins de force permettent - avec des hélices à pales fixes les lames et le patron sont généralement une seule coulée.

Une conception alternative est la hélice à pas variable (RPC), où les lames sont tournées perpendiculaire à l'arbre d'entraînement par une machine supplémentaire - habituellement hydraulique - au niveau du moyeu et de contrôle des liens qui descendent de l'arbre. Cela permet à la machine d'entraînement de fonctionner à une vitesse constante pendant le chargement de l'hélice est modifiée en fonction des conditions de fonctionnement. Elle élimine également la nécessité d'un inverseur et permet plus de changement rapide à la poussée, que les révolutions sont constants. Ce type d'hélice est plus courante sur des navires tels que remorqueurs, où il peut y avoir d'énormes différences de charge de l'hélice lors du remorquage rapport à la course libre, un changement qui pourrait causer des hélices classiques pour verrouiller comme couple insuffisant est généré. L'inconvénient d'un RPC est le grand moyeu qui augmente les chances de cavitation et la complexité mécanique qui limite la puissance d'émission.

Pour les petits moteurs il ya hélices auto-tangage. Les lames se déplacent librement dans un cercle entier autour d'un axe perpendiculaire à l'arbre. Cela permet forces centrifuges hydrodynamiques et à 'set' l'angle des pales atteignent et donc le pas de l'hélice.

Une hélice qui tourne dans le sens horaire pour produire poussée vers l'avant, vu de l'arrière, est appelé droitier. Celle qui tourne dans le sens antihoraire est dit être gaucher. Les navires plus grands ont souvent deux vis pour réduire le couple d'inclinaison, hélices à contre-rotation, la vis tribord est généralement à droite et le port gauchers, cela se appelle l'extérieur tournant. Le cas contraire est appelé intérieure tournant. Une autre possibilité est hélices, où deux hélices tournent dans des directions opposées sur un seul arbre contre-rotation.

Dessins supplémentaires

Une Azimutage hélice est un axe hélice verticale.

Le contour de la lame est définie soit par une projection sur un plan perpendiculaire à l'arbre d'hélice (contour projetée) ou en réglant la membrure circonférentielle à travers la lame à un rayon donné contre rayon (contour développé). Le contour est généralement symétrique par rapport à une ligne radiale donnée appelé la médiane. Si la médiane est recourbée en arrière par rapport au sens de rotation de l'hélice est dit avoir obliquité avant. L'inclinaison est exprimée en termes de déplacement circonférentielle à l'extrémité des pales. Si la face de la lame de profil ne est pas normal à l'axe il est appelé ratissée, exprimée en pourcentage du diamètre total.

La hauteur et l'épaisseur de chaque lame varie de rayon, début des lames avait un visage plat et d'une arquée arrière (parfois appelé une circulaire arrière comme l'arc faisait partie d'un cercle), pales de l'hélice ont modernes profils aérodynamiques. La ligne de cambrure est la ligne à travers la mi-épaisseur d'une seule lame. Le carrossage est la différence maximale entre la ligne de cambrure et de la corde reliant les bords d'attaque et de fuite. La cambrure est exprimée en pourcentage de la corde.

Le rayon d'épaisseur maximale est généralement en avant du point avec les lames d'éclaircie à un minimum au bout mi-corde. L'épaisseur est définie par les exigences de résistance et le rapport de l'épaisseur au diamètre total est appelée fraction de l'épaisseur de la lame.

Le ratio de la hauteur et le diamètre est appelé ratio de terrain. En raison de la complexité des hélices modernes un pas nominal est donnée, généralement un rayon de 70% du total est utilisé.

Lame zone est donnée à un rapport de la surface totale du disque de l'hélice, soit en tant que rapport de surface développée de la lame ou projetée rapport de surface de la lame.

Histoire de navires et sous-marins vis hélices

Hélice sur un navire marchand moderne de taille moyenne

James Watt de l'Ecosse est généralement crédité d'application de la première hélice à un moteur, un des premiers moteurs à vapeur , à commencer l'utilisation d'un vis hydrodynamique pour la propulsion.

La propulsion des navires mécanique a commencé avec la vapeur navire. Le premier navire de succès de ce type est un sujet de débat; inventeurs candidats du 18e siècle comprennent William Symington, le marquis de Jouffroy, John Fitch et Robert Fulton, cependant Le navire de William Symington la Charlotte Dundas est considéré comme "premier bateau à vapeur pratique» du monde. Paddlewheels que la source motrice principale est devenu la norme sur ces premiers navires (voir Bateau à vapeur). Robert Fulton avait testé, et rejeté, l'hélice.

Croquis de vis verticales et horizontales manivelle utilisés dans Bushnell Tortue, 1775

La vis (par opposition à roues à aubes) a été introduit dans la seconde moitié du 18ème siècle. L'invention de David Bushnell du sous-marin ( Tortue) utilisé en 1775 vis à propulsion manuelle pour la propulsion verticale et horizontale. L'ingénieur de Bohême Josef Ressel conçu et breveté la première vis possible hélice en 1827. Francis Pettit Smith testé un semblable en 1836. En 1839, John Ericsson a présenté la conception vis de l'hélice sur un navire qui a navigué ensuite sur l'océan Atlantique en 40 jours. Paddle et de l'hélice mixtes conceptions étaient encore utilisées en ce moment (Vide 1858 SS Great Eastern).

En 1848, la Amirauté britannique a tenu un remorqueur de concours guerre entre une hélice entraînée navire, Rattler, et un navire de roue à aubes, Alecto. Rattler a remporté, remorquage Alecto arrière à 2,8 noeuds (5 kilomètres par heure), mais il ne était pas jusqu'à ce que le début du 20e siècle paddle bâtiments à propulsion ont été entièrement remplacées. L'hélice remplacé les palettes en raison de sa plus grande efficacité, compacité, moins complexe transmission de puissance système et sensibilité réduite à endommager (surtout dans la bataille)

Voith-Schneider hélice

Conceptions initiales devaient beaucoup à l'ordinaire vis à partir de laquelle leur nom dérivé - début des hélices se composait de seulement deux lames et appariés au profil de la longueur d'une seule rotation de la vis. Cette conception était commun, mais inventeurs sans cesse des expériences avec différents profils et un plus grand nombre de lames. La conception de la vis de l'hélice stabilisée dans les années 1880.

Dans les premiers jours de la puissance de la vapeur pour les navires, lorsque les deux roues à aubes et les vis sont en cours d'utilisation, les navires ont souvent été caractérisés par leur type d'hélices, conduisant à des termes comme vapeur vis ou visser sloop.

Hélices sont appelés "dispositifs de levage", tandis que les palettes sont des dispositifs de «glisser».

dégât visible sur l'hélice d'une motomarine de cavitation.

La cavitation peut se produire si une tentative est faite de transmettre trop de puissance à travers la vis. À des vitesses élevées en rotation ou sous charge lourde (grande lame coefficient de portance), la pression sur le côté d'entrée de la lame peut descendre en dessous de la la pression de vapeur de l'eau, entraînant la formation d'une poche de vapeur, qui ne peut plus efficacement transférer la force à l'eau (étirement l'analogie à une vis, pourrait-on dire les fils de l'eau 'bandes'). Cette énergie des déchets effet, fait l'hélice "bruyant" comme des bulles de vapeur se effondrer, et les plus gravement, érode la surface de la vis à cause des ondes de choc localisées contre la surface de la lame. Cavitation peut, cependant, être utilisé comme un avantage dans la conception des hélices de très hautes performances, sous la forme du supercavitating hélice. (Voir aussi la dynamique des fluides). Un problème similaire, mais tout à fait distincte, est la ventilation, qui se produit quand une hélice d'exploitation près de la surface aspire l'air dans les pales, causant une perte similaire de puissance et l'arbre vibrations, mais sans endommager la surface de la lame potentielle connexe causées par la cavitation. Les deux effets peuvent être atténués en augmentant la profondeur immergée de l'hélice: cavitation est réduite parce que le la pression hydrostatique augmente la marge de la pression de vapeur et la ventilation, car il est plus éloigné des ondes de surface et d'autres poches d'air qui pourraient être entraînées dans le sillage.

14 tonnes hélice de Vorochilov une Croiseur de classe Kirov sur l'affichage dans Sébastopol

Forces agissant sur un profil aérodynamique

L'effort (F) subi par une lame de pale est déterminée par sa zone (A), la corde (c), la vitesse (V) et l'angle de la pale à l'écoulement, soit appelé angle d'incidence ou de l'angle d'attaque ( \ Alpha ), Où:

\ Frac {F} {\ rho AV ^ 2} = f (r_n, \ alpha)

La force comporte deux parties - ce normal à la direction de l'écoulement est ascenseur (L) et que, dans le sens d'écoulement est de glisser (D). Les deux sont exprimés non-dimensionnelle que:

C_L = \ frac {L} {\ frac {1} {2} \ rho AV ^ 2} et C_D = \ frac {} {D \ frac {1} {2} \ rho AV ^ 2}

Chaque coefficient est une fonction de l'angle d'attaque et Du nombre de Reynolds. Comme l'angle d'attaque augmente relevable se élève rapidement à partir de l'angle sans ascenseur avant de ralentir sa progression puis décroissante, avec une forte baisse que l'angle de décrochage est atteint et le flux est perturbé. Drag se élève lentement au début et que le taux d'augmentation de l'ascenseur tombe et l'angle d'attaque augmente la traînée augmente plus fortement.

Pour une résistance donnée de la circulation ( \ Tau ), \ Mbox {} Ascenseur = L = \ rho V \ tau . L'effet de l'écoulement et sur la circulation autour du profil aérodynamique est de réduire la vitesse sur le visage et augmenter au-dessus du dos de la lame. Si la réduction de la pression est trop grande par rapport à la pression ambiante du fluide, la cavitation se produit, des bulles se forment dans la zone de basse pression et sont déplacés en direction arrière le bord de la lame où elles se effondrent quand la pression augmente, ce qui réduit l'efficacité et augmente hélice bruit. Les forces générées par l'effondrement de la bulle peuvent causer des dommages permanents aux surfaces de la lame.

Poussée de l'hélice

Lame simple

Prenant une section radiale arbitraire d'une lame à r, si les révolutions sont N alors la vitesse de rotation est 2 \ pi N r . Si la lame est une vis complet qu'il avance à travers un solide à la vitesse de NP,P est le pas de la pale. Dans l'eau la vitesse d'avancement est assez faible, V_A , La différence, ou taux de glissement, est:

\ Mbox {} = Slip (NP-V_A) / NP = 1 J / p

J est le coefficient d'avance ( V_A / ND ) Et p est le rapport de pas (P / D).

Les forces de portance et la traînée sur la lame, dA, où la force normale à la surface est d L:

\ Mbox {d} L = \ frac {1} {2} \ rho V_1 ^ 2 C_L dA = \ frac {1} {2} \ rho C_L [V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') ^ 2] b \ mbox {d} r

où:

V_1 ^ 2 = V_A ^ 2 (1 + a) + 2 ^ 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a) ^ 2

\ Mbox {d} D = \ frac {1} {2} \ rho ^ V_1 2C_D \ mbox {d} A = \ frac {1} {2} \ rho C_D [V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') ^ 2] b \ mbox {d} r

Ces forces contribuent à la poussée, T, sur la lame:

\ Mbox {d} T = \ mbox {d} L \ cos \ varphi- \ mbox {d} D \ sin \ varphi = \ mbox {d} L (\ cos \ varphi- \ frac {\ mbox {d} D } {\ mbox {d}} L \ péché varphi \)

\ Tan \ beta = \ mbox {d} D / \ mbox {d} L = C_D / C_L

= \ Frac {1} {2} \ rho V_1 ^ 2 C_L \ frac {\ cos (\ varphi + \ beta)} {\ cos \ beta} b \ mbox {d} r

Comme V_1 = V_A (1 + a) / \ sin \ varphi ,

\ Mbox {d} T = \ frac {1} {2} \ rho C_L \ frac {V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 \ cos (\ varphi + \ beta)} {\ sin ^ 2 \ varphi \ cos \ beta} b \ mbox {d} r

De cette poussée totale peut être obtenue en intégrant cette expression le long de la lame. La force transversale se trouve d'une manière similaire:

\ Mbox {d} M = \ mbox {d} L \ sin \ varphi + \ mbox {d} D \ cos \ varphi = \ mbox {d} L (\ sin \ varphi + \ frac {\ mbox {d} D} { \ mbox {d}} L \ cos \ varphi)

= \ Frac {1} {2} \ rho V_1 ^ 2 C_L \ frac {\ sin (\ varphi + \ beta)} {\ cos \ varphi} b \ mbox {d} r

En remplaçant V_1 et en multipliant par r, donne un couple en tant que:

\ Mbox {d} Q = r \ mbox {d} M = \ frac {1} {2} \ rho C_L \ frac {V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 \ sin (\ varphi + \ beta)} {\ sin ^ 2 \ varphi \ cos \ beta} br \ mbox {d} r

qui peut être intégré comme avant.

La puissance totale de poussée de l'hélice est proportionnelle à TV_a et la puissance à l'arbre à 2 \ pi NQ . Donc, l'efficacité est TV_a / 2 \ pi NQ . L'efficacité de la lame est dans le rapport entre la poussée et le couple:

\ Mbox {élément efficacité de la lame} = \ frac {} {V_A 2 \ pi Nr} \ times \ frac {1} {\ tan (\ varphi + \ beta)}

montrant que l'efficacité de la lame est déterminé par sa vitesse et ses qualités sous la forme d'angles \ Varphi \ mbox {et} \ beta\ Beta est le rapport entre les coefficients traînée et de portance.

Cette analyse est simplifiée et ne tient pas compte d'un certain nombre de facteurs importants, y compris les interférences entre les lames et l'influence des tourbillons de bout.

Poussée et couple

La poussée, T, et le couple, Q, dépend du diamètre de l'hélice, D, révolutions, N, et le taux de l'avance, V_A , Ainsi que le caractère du fluide dans lequel l'hélice est en marche et la gravité. Ces facteurs créent la relation non-dimensions suivantes:

T = \ rho V ^ 2 D ^ 2 [f_1 (\ frac {ND} {} V_A), f_2 (\ frac {c} {} V_A D), F_3 (\ frac {} {gD V_A ^ 2})]

f_1 est une fonction du coefficient de l'avance, f_2 est une fonction du nombre de Reynolds, et F_3 est fonction de la Nombre de Froude. Les deux f_2 et F_3 sont susceptibles d'être petite par rapport à f_1 dans des conditions normales de fonctionnement, de sorte que l'expression peut être réduite à:

T = \ rho V_A ^ 2 D ^ 2 \ times f_r (\ frac {ND} {} V_A)

Pour deux hélices identiques l'expression à la fois sera la même. Donc, avec les hélices T_1, T_2 , Et en utilisant les mêmes indices pour indiquer chaque hélice:

\ Frac {} {T_1 T_2} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ times \ frac {V_ {a1} ^ 2} {{a2} V_ ^ 2} \ times \ frac {D_1 ^ 2} {D_2 ^ 2}

Pour nombre et en avance coefficient Froude:

\ Frac {} {T_1 T_2} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ times \ frac {D_1 ^ 3} {3} D_2 ^ = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ lambda ^ 3

\ Lambda est le rapport des dimensions linéaires.

Poussée et la vitesse, dans le même nombre de Froude, donnent la puissance de poussée:

\ Frac {{P_ T1}} {{P_ T2}} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ lambda ^ 3,5

Pour couple:

Q = \ rho V_A ^ 2 D ^ 3 \ times F_q (\ frac {ND} {} V_A)

. . .

Les performances réelles

Lorsque l'hélice est ajouté à un navire sa performance est modifiée; il existe des pertes mécaniques dans la transmission de puissance; une augmentation générale de la résistance totale; et empêche la coque et la rend non uniforme l'écoulement à travers l'hélice également. Le rapport entre l'efficacité d'une hélice attaché à un navire ( P_D ) Et en eau libre ( P'_D ) Que l'on appelle l'efficacité de rotation relative.

Le rendement propulsif globale (une extension du pouvoir effectif ( P_E )) Est développé à partir du coefficient de propulsion (PC), qui est dérivée de la puissance à l'arbre installé ( P_S ) Modifié par le pouvoir effectif pour la coque avec des appendices ( P'_E ), La puissance de poussée de l'hélice ( P_T ), Et l'efficacité de rotation relative.

P'_E / P_T = Coque efficacité = \ Eta_H

P_T / P'_D = = Hélice efficacité \ Eta_O

P'_D / P_D = Rendement de rotation par rapport = \ Eta_R

P_D / P_S = Arbre efficacité de la transmission

Produire ce qui suit:

PC = (\ frac {\ eta_H \ times \ eta_O \ times \ eta_R} {\ mbox {coefficient de appendice}}) \ times \ mbox {efficacité de transmission}

Les termes contenus dans les supports sont généralement regroupés comme le coefficient de quasi-propulsion (QPC, \ Eta_D ). La QPC est produite à partir des expériences à petite échelle et est modifié avec un facteur de charge pour les navires en taille réelle.

Réveil est l'interaction entre le navire et l'eau avec sa propre vitesse par rapport au navire. La suite comprend trois parties - la vitesse de l'eau autour de la coque; la couche limite entre l'eau entraînée par la coque et l'écoulement environnant; et les ondes créées par le mouvement du navire. les deux premières parties permettront de réduire la vitesse de l'eau dans l'hélice, le troisième sera soit augmenter ou diminuer la vitesse selon que les vagues créent une suggestion parmis ou un creux à l'hélice.

Types d'hélices marines

Actuellement, plusieurs types d'hélices marines ont été construits pour une grande variété de véhicules marins.

Hélice à pas contrôlable

Une hélice à pas variable

À l'heure actuelle, l'un de type plus récent et le meilleur de l'hélice est le Hélice à pas contrôlable. Cette hélice a plusieurs avantages avec les navires. Ces avantages comprennent: le moins traînée en fonction de la vitesse utilisé, la capacité de se déplacer vers l'arrière la seavessel, et la capacité d'utiliser le "pale" -stance, ce qui donne le moins Résistance à l'eau lorsqu'on ne utilise pas de l'hélice (par exemple, lorsque les voiles sont utilisées à la place).

Hélice Skewback

Un type d'hélice de pointe utilisée sur l'allemand Tapez 212 sous-marins se appelle une hélice skewback . Comme dans les lames de cimeterres utilisés sur certains avions, les extrémités des pales d'une hélice skewback sont balayés contre le sens de rotation. En outre, les lames sont inclinées vers l'arrière le long de l'axe longitudinal, donnant l'apparence générale d'une hélice en forme de coupelle. Cette conception préserve l'efficacité de poussée tout en réduisant la cavitation, et donc fait un endroit calme, conception furtive.

Voir Aussi: Propulsion arrière.

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