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Pratiques et Techniques de la Plaisance

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Accueil du site > Forum technique > Les moteurs -forum- > Inverseur et propulsion > Résistance à la voile d’une hélice : bi-pales - tri-pales.

Rubrique : Inverseur et propulsion

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Résistance à la voile d’une hélice : bi-pales - tri-pales.Version imprimable de cet article Version imprimable

Publié Septembre 2012, (màj Septembre 2012) par : Basile   

Copyright : Les articles sont la propriété de leurs auteurs et ne peuvent pas être reproduits en partie ou totalité sans leur accord
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Je ne vois nulle part abordé ce problème sur internet, tout au moins comme je me le pose. On sait simplement qu’une hélice freine. On sais que 3 pales freinent plus que deux. Mais c’est un peu court comme arguments à notre époque où tout est calculé.

J’élimine la max prop :
 trop chère,
 trop de tentation pour le vol,
 temps de réponse en passant de marche avant à marche arrière. (port soumis aux courants)
 pales pas vraiment optimisées pour la marche avant. Il suffit de regarder sa forme, rien à voir avec une fixe.
 elle me semble bien plus lourde, de par son mécanisme, qu’une fixe.

Me reste l’option fixe.

J’ai actuellement une bi-pales. Mais après élimination de toutes les causes de vibrations, il en reste encore un peu.
Or, c’est connu, une bi vibre plus qu’une tri. J’envisage donc une tri.

Une tri, il faut le savoir, va freiner autant qu’une bi, car elle elle n’est pas plus petite. Elle fera le même diamètre. Elle va même freiner plus, car elle a 50 % de pales en plus, et un pas de 1 pouce en moins, donc écoulement moins bon de l’eau à la voile.

La question que je me pose donc, n’ayant pas un voilier de course, mais un dériveur lesté. Qu’est-ce qui freine le plus dans ce genre de bateau : le saumon du lest, ou l’hélice ?

 Si c’est l’hélice, alors une pale de plus ne va pas arranger les choses
 Si c’est le saumon, alors une pale de plus sera négligeable et cela vaut la peine

UP


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(pour répondre à un message en particulier, voir plus bas dans le fil)

38 Messages de forum

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  • 22 septembre 2012 15:44, par yoruk écrire     UP Animateur

    Bonjour
    Trop technique pour mon niveau, par contre j’ai une réponse...

    • Pour reculer avec de la puissance... mieux vaut une trois pales...

    Michel

    Répondre à ce message

  • 22 septembre 2012 16:22, par Négofol écrire     UP Animateur

    Dans un premier temps, une idée de la comparaison hélice à mise en drapeau / hélice à pales fixes :
    (Les hélices Campbell sont des hélices spéciales pour voilier optimisées pour une faible traînée sous voile, les Hélices Michigan Wheel d’excellentes hélices standard)

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    Répondre à ce message

    • C’est plus que du premier temps, à première vue. Tout semble y être.
      Merci, je regarde

      Répondre à ce message

      • J’ai regardé les courbes de Négofol, de préférence celles qui disaient ce que je voulais entendre. J’en ai conclu que la tri freinait à peine plus que la bi. A 5 noeuds, la Campbell passe de 13 livres à environ 18 livres. 2,5 kg, de plus, c’est négligeable.

        Puis j’ai voulu voir ce que c’est qu’une Campbell. Tout faux. Les nôtres sont plutôt du type Michigan, et là, entre une bi et une tri, à 5 noeuds, on passe de 18 à 30 livres.

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        Répondre à ce message

        • le raisonnement à la louche et correct me semble plutôt ainsi pour la Campbell :

          3 pales = 18 livres, soit 6 livres par pale
          2 pales = 13 livres, soit 6 livres par pale environ

          La conclusion est nette : la 3 pales freine 50% de plus que la 2 pales ... car 18 = 150% x 13 environ

          Si tu perds 1 noeud avec la bipale, tu perdras 1.5 noeuds avec la tripale

          Répondre à ce message

          • Ce raisonnement sur le nombre de pales est en fait lié à la surface projetée : dans le doc de l’Université de Glasgow il est dit dans la conclusion :

            « Nevertheless, where a simplistic prediction of lockedshaft drag is required, an average CD value of 1.1 could be used »

            Ceci implique que la résistance peut-être grossièrement considérée proportionnelle à la surface projetée perpendiculairement à la vitesse avec un Cx de 1.1.

            Par contre, ne suis pas sur du raisonnement permettant de passer de 1 kt de perte à 1,5 ! En effet, si la traînée de l’hélice représente 15 % de la traînée totale du bateau pour une bipale, passer à une tripale rajoutera 7,5 % seulement à la résistance totale....

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            • L’hypothèse espérée (!) est que la traînée de l’hélice est petite par rapport à la traînée globale. La figure résume l’effet de l’hélice :

              • La trainée (courbe bleue) (donc la force propulsive nécessaire pour faire avancer le bateau) croit rapidement avec la vitesse .
              • Alors une petite variation de trainée dF (en rouge) entraînera une petite variation de vitesse dV (en rouge) au premier ordre linéairement proportionnelle à la variation de trainée. Donc si la trainée de l’hélice double, la perte de vitesse double également au premier ordre tant qu’elle reste petite par rapport à la trainée totale.

              Enfin, sauf erreur de ma part, comme on dit !

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              Répondre à ce message

            • Un point amusant : l’hélice tripale prise dans l’étude de l’Université de Glasgow (diamètre = 0.305 m et a= 0.54) est équivalente à une plaque plane de 0.22 m de diamètre, ce qui vérifie le vieil adage de marin entendu dans ma jeunesse :

              « une hélice à pas fixe bloquée a le même effet que remorquer un seau » :

              un seau fait a peu près ce diamètre !

              Répondre à ce message

    • Ensuite, la célèbre question existentielle valant bien celle de Hamlet à Elseneur : bloquer l’hélice ou ne pas la bloquer ?
      Il est admis que sur les bateaux à quille longue et hélice dans une ouverture devant le safran, la traînée peut être négligeable si l’hélice bipale est bloquée avec les pales verticales dans le sillage de la quille. Il y a sur les catalogues des hélices spéciales étroites.

      Sinon le sujet a été l’objet de nombreuses études et thèses, une des dernières étant due à l’Université de Glasgow, ci-jointe...

      Cette étude est la seule récente à ma connaissance qui ait fait des mesures avec plusieurs couples parasites résistants appliqués sur l’arbre de l’hélice tournant en moulinet, montrant des différences significatives de traînée ainsi qu’une comparaison avec les valeurs données dans le bouquin de Larsson et Eliasson.

      Pour ceux que la série B de Wageningen n’excite pas trop, voir les planches après la page 30....

      Répondre à ce message

      • De mon expérience (voilier 13m, quille des années 90), hélice tri pales fixes : hélice bloquée = 1/2 nds de moins minimum sous voile, à pratiquement toutes les allures. Hélice libre sous voile = grosses vibrations à forte vitesse (+ de 6 nds) + boucan d’enfer

        Enfin hélice tri pales fixes = marche arrière de m..... J’ai beau faire tout ce que je veux (coup de fouet, ...), quand on passe d’avant en arrière, le bateau part à babord, ce qui donne parfois des manœuvres rock n’ roll et personne ne comprend pour quoi je pars loin dans un endroit dégagé pour me mettre en arrière, surtout qu’on n’a pas de propulseur non plus (yeah, real men don’t use bowthruster .... mais serrent les fesses)

        Améliorer la manœuvrabilité du bateau fait parti des projets de cette hiver, et ça commencera par .... virer cette tri pales fixes ! Elle restera en soute et sera remontée si grande traversée pour utilisation d’un alternateur d’arbre

        Je veux la remplacer par une tri pales repliable, mais je ne sais pas encore laquelle, les constructeurs mettant plus en avant le gain de vitesse (ça m’est égal) que la manoeuvre

        Répondre à ce message

        • Bonjour
          La controverse hélices fixes/hélices repliable, fait le bonheur des discutions de pontons en méditerranée orientale, ou la coutume au port, où à quai, est de venir arrière au quai…
          La solution 2 pales fixes est réservée aux bateaux de faible déplacement… Au dessus de 35 pieds, tout le monde est en 3 plaes…
          Les hélices à pas variable type ‘’maxprop’’ sont un vrai plus, c’est indéniables, gardant de la puissance an marche AR … Seule limite, mais de taille, il faut observer un temps de latence pour passer en marche AR ou plus embêtant pour repasser en marche AV et casser l’aire en arrivant au ponton…
          Peu de risques de vol ici, et de toute façon sur les bateaux mis au sec, les propriétaires, très souvent, démontent leur hélices ne serait ce que pour l’entretient
          Concernant le propulseur d’étrave, j’en suis équipé (40 pieds)… c’est parfait pour mettre le bateau dans l’axe au démarrage de la manœuvre… Après c’est très vite limité par le fardage…
          Michel

          Répondre à ce message

        • A propos des vibrations lorsque l’hélice est libre de tourner sous voile, un texte qui explique la cause : le flux non homogène et perturbé de l’eau arrivant sur l’hélice : http://www.banik.org/constr/Helice2.htm

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          • C’est un article intéressant à plus d’un titre.

            Parmi les points qui m’interpellent dans cet article, il y en a un en particulier : vendredi, en revenant de Trapani vers Pantelleria, le vent était très bon (15 nds au bon plein), et mon nouveau jeu de voile fait merveille (hem, surface plus que notoirement augmentée et coupe optimisée, ben oui, la Med, le petit temps, tout ça ....) si bien que nous avons fait pendant une partie du trajet, malgré un léger courant contraire, des pointes .... à plus de 9 nds sur le fond ! (si, si, j’vous jure !)

            Mais alors les vibrations dans le cockpit, ENORMES !!! Et là ce n’était plus que l’hélice, mais je sentais bien que c’était le safran qui était entré en phénomène vibratoire, ce qui m’a inquiété. J’ai plongé hier pour voir si le safran bougeait, bé non, rien de ce coté là.

            Voilà l’explication. Saleté d’hélice tri pales !

            Merci Robert, tu viens de me donner l’argument pour la dépense sur une tri repliable (je ne suis pas favorable non plus au genre Maxprop) à ma coskip !

            Répondre à ce message

  • Bonjour,
    Je débarque un peu tard sur ce forum, mais j’aimerais faire part de mon expérience.
    Dufour 385, hélice bipale fixe, vibrations légères à partir de 7kts...
    Remplacée par une « bête » bec de canard bi-pale ( achetée d’ocaz ) et plus de vibrations, même lors de mon record à 12,4 kts dans les surfs ( 30kts de vent au 3/4 arrière ça avance !)... pourtant pas de dérive et donc le safran dans la trainée de la quille ! Dans le cas d’un dériveur avec une « plaque de tôle » en guise de dérive c’est possible l’écoulement étant catastrophique, mais je crois plus à la perturbation de l’hélice !
    Je n’arrive pas à lire le PdF de Négofol mais mon expérience de l’aviation me permet d’affirmer qu’une hélice qui tourne en moulinet, c’est une catastrophe ! Sinon les hélicos en panne moteur seraient tous détruits, ce qui n’est pas le cas en cas d’« autorotation » que l’on apprend à l’école ! Pour info un bimoteur triple sa pente de descente en cas de panne si les hélices ne sont pas en drapeau... Je n’ai donc jamais compris la « polémique de ponton » sur le blocage de l’hélice ! Mais il faut que j’arrive à lire ce p... de PdF !

    Pour en revenir aux hélices à mise en drapeau, j’ai choisi pour mon nouveau cata des « Autoprop » dont la trainée, si j’en crois le diagramme du MIT posté par Négofol, est 4 fois supérieure à la Maxprop, mais dont le rendement au moteur est presque 2 fois supérieur ( 42nm au litre à 6kts au lieu de 27 pour la maxprop... et 36 pour la fixe ! ) selon les essais de « Voiles Mag »d’avril 2009. Et avec une marche arrière d’enfer ! Je n’ai trouvé que des utilisateurs contents.

    Cordialement, Piou

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    • L’expérience de l’hélice libre ou bloquée en aviation ne peut pas être utilisée dans le cas des hélices marines.

      • La viscosité de l’eau est sans commune mesure avec celle de l’air.
         
      • Le rapport de la surface des pales de l’hélice par rapport à la surface du cercle exinscrit est très différent : pour une hélice aérienne ce rapport est tout petit (moins de 10%) alors que pour une hélice marine ce rapport est proche de 100% et même au delà de 100% pour certains bateaux à moteur
         
      • Pour donner une image parlante : si le milieu est très dense, et la surface des pales grandes par rapport au cercle exinscrit, bloquer l’hélice en avançant c’est comme tenter de retirer un tire-bouchon du bouchon sans le faire tourner :-)

      Il se trouve que les hélices marines sont juste à la limite de viscosité et de surface de pales qui fait que dans certains cas cela freine un peu moins avec l’hélice libre et un peu moins avec l’hélice bloquée dans d’autres cas.

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    • Attention en aviation (mon domaine de base) la situation est très différente : il n’y a pas de transmission !

      La forte trainée d’une hélice tournant en moulinet est due en grande partie au fait que l’hélice fournit un couple important pour entrainer le moteur à pistons et passer les compressions : c’est comme démarrer un moteur à la manivelle sans décompresseur.

      La preuve : si on ralentit, au dessous d’une certaine vitesse, l’hélice s’arrête car l’hélice ne peut plus fournir le couple nécessaire.

      Cette puissance est prélevée sous forme de trainée, fait aggravé par le fait que les profils d’une hélice en windmilling ne sont pas optimisés pour un fonctionement en éolienne.

      Ce fait est corroboré par le fait que la trainée d’une hélice en windmilling est bien moindre sur les turbines libres que sur les moteurs à pistons.

      Une anecdote : j’ai volé sur DC7, le dernier avion transatlantique à moteurs à pistons (je suis un ancien...) qui possédait une commande (bien protégée) de grippage moteur, permettant de vidanger un moteur en panne en vol et de remplacer l’huile par de l’essence jusqu’au grippage afin de pouvoir bloquer l’hélice d’un moteur en panne qui aurait refusé de passer en drapeau, expédient nécessaire pour arriver de l’autre côté de la mare sur trois pattes....

      Répondre à ce message

  • Il n’y a pas qu’un moteur qu’on est prêt à casser pour arriver de l’autre côté ! Ne t’inquiète pas !

    Par contre, autant je ne suis pas d’accord pour la différence de densité entre l’air et l’eau comme explication ( une histoire de nombre de Raynolds disait que 3kts dans l’eau c’est proche de 300km/h dans l’air ), autant la surface projetée d’une hélice d’avion et de bateau, ce n’est pas du tout pareil... et c’est la base du problème !
    Je suis beaucoup moins vieux ( lol ! ) que Négofol et je parlais surtout des turboprops pilotés à l’école, il y a moins de compression et le problème est le même, mais on ne peut pas bloquer l’hélice... donc pas de test dans ce sens ! Mais heureusement qu’il y a la mise en drapeau ! Pas pour rien que les constructeurs de gros réacteurs envisagent de passer le fan en drapeau !

    Et question plaisir de barre ( et de vibrations !!!) je ne me pose pas la question ! C’est ou une repliable, ou une mise en drapeau mais plus jamais une hélice fixe qui, même bloquée, fait des vibrations notables dans le safran. Et ça fait au moins 2 ou 3 jours de gagnés sur une traversée de l’atlantique !
    Le problème qui reste est bien sûr le rendement au moteur... et je n’ai jamais rencontré de propriétaire de Maxprop qui en était content pour ça ! Donc il reste la Gori et l’ Autoprop... ou une repliable avec un pas un peu fort, en faisant gaffe de ne pas surcharger le moteur... J’ai choisi l’Autoprop, mais... je vous dirais dans 10 ans si j’en suis content !

    Merci encore à Francis pour son envoi de PdF en direct.
    Accessoirement je peux envoyer en MP à qui le demande le test d’hélice de Voile Mag.
    Cordialement, Piou

    Répondre à ce message

    • Pour ma remarque sur la différence moteur à piston / turbine libre, je pensais au Pilatus PC6, dont la première version était équipée d’un mloteur à pistons Lycoming, dont l’hélice permettait, moteur réduit, jointe à l’aérodynamique rustique de l’avion des piqués très accentués pour lesquels l’avion est devenu célèbre (et vendu...).
      La version à turbine libre PT6 s’est trouvée au départ démunie de cette trainée providentielle car l’hélice, en « roue libre », ne trainait pas assez et il a fallu développer une solution étonnante : autoriser la reverse en vol (appelée beta-range) pour retrouver le piqué delamorkitu grâce à la puissance moteur utilisée en frein.

      De même, on attache les hélices des turboprops pour qu’elles ne tournent pas au parking (ou il y a un frein d"hélice comme sur ATR) et tout le monde a vu des réacteurs tourner dans le vent, mais, personne n’a vu une hélice sur moteur à piston tourner d’elle même.

      Dans le domaine bateau, le document PdF cité plus haut montre clairement (figure 6) que la trainée augmente dès qu’on applique un couple résistant sur l’arbre d’hélice.
      Tout ça est cohérent et les hélices se comportent de la même façon sur les avions et les bateaux.... La physique est têtue !

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  • Juste pour le fun , le Pilatus : une hélice ça peut freiner :
    http://www.youtube.com/watch?v=t9Px...

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  • Super ta vidéo Francis. Jamais piloté des petits coucou comme ça, bien dommage pour le fun !
    Mais, comme tu dis, on parle là de « reverse », ou au minimum de « petit pas sol » ( comme sur Nord 262 ) mais pas de pas fixe.
    Reste à savoir la valeur du frein induit par la transmission qu’entraîne forcément l’hélice, mais ça ne doit pas être terrible. On m’a parlé de qques CV bouffés par la transmission.
    Quel dommage que personne n’ait jamais mis, et donné les résultats, un bateau dans un bassin de carène avec ou sans l’hélice bloquée... même un tout petit bateau !

    Et franchement, qui laisse son hélice libre ? Sans être incommodé par le bruit, les vibrations et l’effet dans le safran ? Je ne parle pas des transmissions hydrauliques...
    Pourquoi y a-t-il un frein d’arbre sur les Maramu ?

    En tout cas merci à ce forum de m’avoir sorti de mon erreur
    Et quand on voit (fig 9a de ton PdF) la traînée de la bec de canard comparée aux autres, on n’hésite plus à investir !
    Cordialement, Piou

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    • Et franchement, qui laisse son hélice libre ?

      Quelques uns... comme moi, pour entraîner un alternateur sous voile ! :o)

      Avec un effet secondaire imprévu mais bien pratique à l’usage : celui de servir de loch audio ! B-)

      _/)

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      • ouhaaaa... «  Loch audio  » Phénoménal... Il faut ouvrir un forum dédié là dessus :-)

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        • Oui, moi aussi je la laisse toujours libre, car je ne supporte pas de perdre au mini 1/2 nds, surtout quand je commence à gamberger sur combien de temps ça va me faire perdre. En Med j’ai mis de coté nos bricolages d’alternateurs d’arbre sur lequel on s’est bien marré, mais si grande traversée, retour à une tripale fixe (avec un inverseur neuf)

          Et Fred a tout à fait raison, avec l’habitude on sait exactement (à 1/2 nds près) à quelle vitesse son bateau avance, et surtout si le vent est entrain de mollir durablement ou passagèrement .... les yeux fermés sans instruments. Très pratique quand on aime somnoler sous voile :-D Et très agréable quand on aime suivre ses sens également, en dehors des instruments, sauf quand ça fait trop de boucan !

          Je précise avant que ça ne me tombe dessus que quand je somnole, ma coskip garde un oeil, on se relaye. C’est juste que je garde le controle de la marche du bateau, même en dormant, rien qu’à l’oreille. Et je pense que je dois être loin d’être le seul dans ce cas là ..... ;-)

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  • Pour revenir à la question : une hélice de bateau bloquée freine-t-elle plus ou moins que laissée libre et sans frein ?

    Il me semble que les démonstrations par analogie (aérienne ou marine) tendant à montrer l’un ou l’autre peuvent toujours se contrer avec une autre analogie démontrant l’inverse. Ce que j’avais lu il y a quelques années et qui m’avait paru convaincant en terme de mécanique des fluides mais dont je ne sais pas évaluer la validité, était :

    • Le critère qui fait basculer de l’une à l’autre des réponses (bloqué ou libre sans frein est mieux) dépend de la traînée de chaque pale et de la traînée d’interaction entre les pales quand elles sont immobiles et quand elles sont libres de tourner
       
    • A l’état bloqué le sillage (forcément turbulent) d’une pale n’interfère pas avec l’autre pale si la surface projetée des pales est faible, mais les sillages interfèrent si la surface projetée est forte
       
    • En rotation libre sans frein ET en régime turbulent ET à faible surface projetée des pales, on peut avoir une situation (rotation très rapide) où la traînée est supérieure quand l’hélice tourne parce que la pale qui tourne entre dans le sillage de celle qui la précède . Ceci était donné comme possible dans le cas d’une hélice aérienne d’avion qui tourne librement, dont la traînée est supérieure en rotation par interaction entre les sillages des pales.
       
    • En marine, la clé serait la même puisque les lois sont universelles : selon la surface projetée des pales, et la forme des pales (donc la turbulence faisant intervenir Reynolds) on pouvait retrouver ces deux cas de figue :
      • en « libre », on a une interaction des sillages (qui augmente la traînée) mais on est plus proche d’un écoulement laminaire (qui diminue la traînée), deux effets antagonistes.
      • en bloqué ET surface projetée faible on est en turbulent complet (traînée maximal pour chaque pale) mais sans interaction (traînée amoindrie pour l’ensemble des pales)
      • en bloqué ET surface projetée forte on est en turbulent complet (traînée maximal pour chaque pale) avec interaction entre pales (traînée plus forte que la somme des pales) ce qui est le pire des cas.
      • La forme des pales, la vitesse de rotation en libre et la viscosité de l’eau font qu’on peut être à la frontière entre ces divers cas ...

    Je ne suis pas spécialiste, je ne sais pas si la démonstration était correcte, mais j’avais trouvé l’argumentaire convaincant ... parce qu’il autorise l’existence de divers cas de figure et ne démontre pas par analogie.

    Edit : j’avais oublié ... En planeur avec une motorisation de décollage électrique l’effet est visible : quand on coupe l’alimentation du moteur et qu’on laisse l’hélice libre de tourner (pas de frein moteur) le planeur vole comme un « fer à repasser » comme on dit chez nous. En pratique, soit on met un frein moteur pour la bloquer , soit on utilise une hélice repliable et il faut parfois exécuter une ressource proche du décrochage pour qu’elle se replie malgré la force centrifuge. Cela montre bien qu’une hélice aérienne freine plus quand elle est libre, même si elle n’a aucun frein moteur qui consomme de l’énergie.

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  • Bonjour,
    pour expérimenter l’effet de la charge (je ne sais pas si c’est le terme qui convient) appliquée à l’hélice sur sa traînée, il suffit de voir ce qui se passe lorsque l’on enclenche l’alternateur d’arbre.
    Sur mon Sharki, je n’ai pas pu mesurer de différence de vitesse entre hélice (énorme tripale fixe) libre ou bloquée. Par contre lorsque je tourne la clef de l’alternateur d’arbre sur « ON », la perte de vitesse par vent modéré est immédiatement d’un bon 1/2 Kn.
    Bien entendu, hormis le cas de l’alternateur d’arbre il est plus confortable de bloquer l’hélice. Je m’interroge cependant sur le sens de cet extrait du manuel de l’utilisateur du nouveau Yanmar JH5 page 57 :
    « AVIS :Lorsque vous naviguez, mettez la manette de commande à distance sur la position NEUTRAL. Dans le cas contraire, un patinage ou un dommage se produira et votre garantie sera annulée. »
    J’ai posé la question au vendeur qui, pour l’instant ne m’a pas répondu.

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