FR3096654A1

FR3096654A1 - Hélice à pas variable automatique

Info

Publication number: FR3096654A1
Application number: FR1905753A
Authority: FR
Inventors: Christophe DEPRES; Pascale BALLAND; Laurent Bernard
Original assignee: Universite Savoie Mont Blanc
Current assignee: Universite Savoie Mont Blanc
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-05-29
Also published as: EP3976463B1; FR3096654B1; EP3976463A1; WO2020240119A1

Abstract

Hélice à pas variable automatique La présente description concerne un dispositif comportant une hélice (11) à pas variable, dans lequel un écoulement (116) externe d’un fluide engendre, par effet Venturi, une dépression dans un premier compartiment (151) d’une chambre (15) comportant un ou plusieurs premiers orifices (131) non parallèles à un axe (113) de rotation de l’hélice (11), une variation de cette dépression provoquant un déplacement d’une cloison mobile (17) actionnant un mécanisme de modification du pas de l’hélice (11). Figure pour l'abrégé : Fig. 2

Description

Hélice à pas variable automatique

La présente description concerne de façon générale les hélices à pas variable et, plus particulièrement, un dispositif de commande du pas d’une hélice à pas variable. La présente description s’applique notamment à des propulseurs à hélice à pas variable.

Des propulseurs à hélice sont déjà largement utilisés pour mettre en mouvement des engins, typiquement pour faire naviguer des embarcations, pour faire voler des aéronefs, etc. Par exemple, des propulseurs à hélice motorisés équipent usuellement de petites embarcations susceptibles de voguer sur une large plage de vitesses. Le cas échéant, ces propulseurs sont souvent équipés d’hélices à pas variable, de sorte que le pas de l’hélice augmente à mesure que la vitesse de l’embarcation croît. Cela permet de maintenir un régime moteur sensiblement constant quelle que soit la vitesse de l’embarcation. On améliore ainsi un rendement du propulseur.

La modification du pas de l’hélice d’un propulseur à hélice à pas variable s’effectue généralement de façon automatique. Le propulseur comporte alors un système d’asservissement du pas de l’hélice par rapport, typiquement, à la vitesse de l’embarcation et/ou par rapport à un couple moteur appliqué sur un arbre d’hélice.

Parmi les systèmes d’asservissement de pas d’hélice les plus répandus, on trouve notamment des systèmes hydrauliques, électriques, mécaniques ou hydrodynamiques. Ces systèmes, souvent onéreux et d’un fonctionnement très sensible, sont aussi complexes à concevoir et à réaliser. Leur mise au point soulève, en particulier, de nombreuses problématiques d’étanchéité. De plus, ils ne permettent généralement pas d’obtenir un asservissement satisfaisant du pas de l’hélice sur l’intégralité de la plage de vitesses de l’embarcation.

Il existe, en outre, des systèmes d’asservissement de pas d’hélice à commande manuelle. Ces systèmes manuels, bien que de constitution souvent moins complexe que les systèmes automatiques évoqués ci-dessus, requièrent néanmoins un réglage très délicat de la part du pilote de l’embarcation. Les systèmes manuels de modification du pas d’hélice sont donc, en pratique, difficilement exploitables ce qui les rend peu commodes d’utilisation par un large public.

Il existe un besoin d’améliorer les dispositifs de commande de pas d’une hélice à pas variable existants.

Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des dispositifs de commande de pas d’une hélice à pas variable connus.

Un mode de réalisation prévoit un dispositif comportant une hélice à pas variable et des moyens adaptés à modifier le pas de l’hélice par effet Venturi.

Selon un mode de réalisation, un écoulement externe d’un fluide engendre, par effet Venturi, une dépression dans un premier compartiment d’une chambre comportant un ou plusieurs premiers orifices non parallèles à un axe de rotation de l’hélice, une variation de cette dépression provoquant un déplacement d’une cloison mobile actionnant un mécanisme de modification du pas de l’hélice.

Un mode de réalisation prévoit un dispositif comprenant :
une hélice à pas variable ;
une chambre comportant un ou plusieurs premiers orifices non parallèles à un axe de rotation de l’hélice ;
une cloison mobile délimitant, à l’intérieur de la chambre, un premier compartiment communiquant avec l’extérieur par ce ou ces premiers orifices ; et
un mécanisme de modification du pas de l’hélice, associé à la cloison mobile.

Selon un mode de réalisation, une variation d’une dépression, dans le premier compartiment, entraîne une modification du pas de l’hélice.

Selon un mode de réalisation, une augmentation de la dépression provoque une augmentation du pas de l’hélice.

Selon un mode de réalisation, une diminution de la dépression provoque une diminution du pas de l’hélice.

Selon un mode de réalisation, au moins une pièce supplémentaire forme, par rapport à une surface externe de la chambre, un étranglement au voisinage de ce ou ces premiers orifices.

Selon un mode de réalisation, la cloison mobile délimite en outre, à l’intérieur de la chambre, un deuxième compartiment communiquant avec l’extérieur par un ou plusieurs deuxièmes orifices parallèles à l’axe de rotation de l’hélice.

Selon un mode de réalisation, la cloison mobile est liée à un ressort de rappel vers une position correspondant à une valeur extrémale du pas de l’hélice.

Selon un mode de réalisation, la cloison mobile est un piston comportant une surface inclinée, par rapport à l’axe de rotation de l’hélice, sur laquelle vient s’appuyer une came adaptée à actionner le mécanisme de modification du pas de l’hélice.

Selon un mode de réalisation, la cloison mobile est associée à un engrenage, constitué d’une crémaillère et d’un pignon, adapté à actionner le mécanisme de modification du pas de l’hélice.

Selon un mode de réalisation, le mécanisme de modification du pas de l’hélice modifie un angle de calage de pales sur une plage angulaire inférieure à 90°, de préférence de l’ordre de 15°.

Selon un mode de réalisation, l’hélice comporte au moins deux pales disposées radialement et séparées de l’axe de rotation par une distance d’environ 35 mm, de préférence égale à 35 mm, ces pales possédant une longueur d’environ 240 mm, de préférence égale à 240 mm.

Un mode de réalisation prévoit un dispositif propulseur comportant un dispositif tel que décrit.

Un mode de réalisation prévoit une embarcation à propulsion humaine comportant au moins un dispositif propulseur tel que décrit.

Un mode de réalisation prévoit un dispositif de récupération d’énergie, comportant un dispositif tel que décrit.

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 illustre de façon schématique et partielle, par une vue latérale et en coupe, un mode de réalisation d’un propulseur à hélice à pas variable automatique ;

la figure 2 illustre de façon schématique et partielle, par une vue latérale et en coupe, un autre mode de réalisation d’un propulseur à hélice à pas variable automatique ;

la figure 3 illustre de façon schématique et partielle, par des vues (A) et (B) latérales et en coupe, encore un autre mode de réalisation d’un propulseur à hélice à pas variable automatique ;

la figure 4 représente, par des vues (A) et (B) en perspective et en écorché, encore un autre mode de réalisation d’un propulseur à hélice à pas variable automatique ;

la figure 5 représente un exemple d’embarcation équipée d’un propulseur à hélice à pas variable automatique ; et

la figure 6 représente, de façon partielle, un mode de réalisation d’une hélice de propulseur.

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.

Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.

Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés ou couplés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.

Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures ou à une embarcation ou un propulseur dans une position normale d'utilisation.

Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

Les modes de réalisation décrits prennent pour exemple une hélice équipant un propulseur. Toutefois, ces modes de réalisation s’appliquent plus généralement à tout système à hélice à pas variable dans lequel des problèmes similaires se posent, par exemple des éoliennes ou hydroliennes.

La figure 1 illustre de façon schématique et partielle, par une vue latérale et en coupe, un mode de réalisation d’un propulseur 1 à hélice à pas variable automatique.

Selon ce mode de réalisation, le propulseur 1 comporte une hélice 11 constituée de deux pales 111 et 112. Les pales 111 et 112 sont disposées en opposition, perpendiculairement à un axe 113 de rotation de l’hélice 11. L’axe 113 de rotation de l’hélice 11 est, en figure 1, parallèle au plan de coupe. Les pales 111 et 112 sont montées pivotantes par rapport à un axe commun 115, perpendiculaire à l’axe 113 de rotation de l’hélice 11. Pour faciliter la compréhension, l’axe 115, autour duquel pivotent les pales 111 et 112 de l’hélice 11, est, en figure 1, orienté perpendiculairement au plan de coupe.

Un pivotement (ou rotation) des pales 111 et 112, autour de l’axe 115, permet de faire varier le pas de l’hélice 11 du propulseur 1. En particulier, le pivotement, par rapport à l’axe 115, de la pale 111 de l’hélice 11 modifie un angle θ de calage, ou angle d’attaque, de la pale 111. De même, le pivotement, par rapport à l’axe 115, de la pale 112 de l’hélice 11 modifie un angle α de calage, ou angle d’attaque, de la pale 112. Le propulseur 1 est donc doté d’une hélice 11 à pas variable. En d’autres termes, le propulseur 1 est un propulseur à pas variable.

L’angle θ correspond, dans cet exemple, à un angle formé par une corde (droite joignant un bord d’attaque à un bord de fuite d’un profil) de la pale 111 par rapport à une normale aux axes 113 et 115. De même, l’angle α correspond, toujours dans cet exemple, à un angle formé par une corde de la pale 112 par rapport à une normale aux axes 113 et 115. Selon un mode de réalisation préféré, l’angle α de calage de la pale 112 possède une valeur égale à celle de l’angle θ de calage de la pale 111. Cela permet d’équilibrer la rotation de l’hélice 11 autour de l’axe 113, limitant ainsi l’apparition de vibrations.

En supposant que l’on regarde le propulseur 1 depuis sa partie arrière vers sa partie avant (de la droite vers la gauche, en figure 1), une rotation de l’hélice 11 dans un sens horaire (flèche 114) provoque un écoulement (flèche 116, FLOW) d’un fluide vers l’arrière du propulseur 1 à une vitesse v. La vitesse v de cet écoulement dépend en particulier :
d’un éventuel mouvement du milieu dans lequel se trouve le propulseur (courant du fluide) ;
du profil (ou géométrie) des pales 111 et 112 ;
d’une vitesse ω de rotation (ou vitesse angulaire) de l’hélice 11 autour de l’axe 113 ; et
du pas de l’hélice 11, c’est-à-dire des angles θ et α de calage respectivement modifiés par pivotement (flèche 117) des pales 111 et 112 autour de l’axe 115.

La vitesse ω de rotation de l’hélice 11 est, par exemple, imposée par un moteur entraînant un arbre relié à l’hélice 11. Dans l’exemple de la figure 1, plus les angles d’attaque α et θ augmentent, pour une vitesse ω de rotation supposée constante, et plus la vitesse v de l’écoulement croît.

Dans l’exemple de la figure 1, le propulseur 1 comporte un corps 13 dans lequel est aménagée une cavité (ou évidement) formant une chambre 15. Le corps 13 du propulseur 1 présente un ou plusieurs orifices 131 non parallèles à l’axe 113 de rotation de l’hélice 11. En figure 1, par exemple, deux orifices 131 sont pratiqués selon une direction perpendiculaire à l’axe 113 de rotation de l’hélice 11. Les orifices 131 forment ainsi des trous traversants qui débouchent à l’intérieur de la chambre 15.

Selon un mode de réalisation, la chambre 15 comporte un premier compartiment 151 séparé d’un deuxième compartiment 153 par une cloison mobile 17 ou piston. Dans l’exemple de la figure 1, le premier compartiment 151 communique, par l’intermédiaire des deux orifices 131, avec l’extérieur de la chambre 15. Le deuxième compartiment 153 de la chambre 15 est, quant à lui, totalement clos et ne communique donc pas avec l’extérieur de la chambre 15.

Dans l’exemple de la figure 1, le propulseur 1 est immergé dans un fluide, par exemple de l’eau, constituant un milieu extérieur où sont notamment placées la chambre 15 et l’hélice 11. Le premier compartiment 151 de la chambre 15 est donc, en figure 1, rempli d’eau. Des échanges d’eau peuvent ainsi se produire librement, par l’intermédiaire des orifices 131 (ou prises d’eau), entre l’intérieur et l’extérieur de la chambre 15. Le deuxième compartiment 153 est, toujours dans cet exemple, préférentiellement empli d’un gaz, par exemple de l’air. La cloison mobile 17 assure, le cas échéant, une étanchéité dynamique entre le premier compartiment 151 et le deuxième compartiment 153, de sorte que l’air contenu dans le deuxième compartiment 153 y demeure ainsi emprisonné quelle que soit la position de la cloison mobile 17.

On considère un écoulement du fluide le long du corps 13, par exemple provoqué par un déplacement du propulseur 1 dans le milieu, typiquement sous l’effet d’une rotation, autour de l’axe 113, des deux pales 111 et 112 de l’hélice 11. Un tel écoulement provoque, par effet Venturi, une dépression à l’intérieur du premier compartiment 151 de la chambre 15. En supposant qu’une pression P1 règne dans le premier compartiment 151 et qu’une pression P3 règne dans le deuxième compartiment 153, la valeur de la pression P1 diminue (la dépression augmente) alors à mesure que la vitesse v d’écoulement de l’eau croît. Inversement, la valeur de la pression P1 augmente (la dépression diminue) à mesure que la vitesse v d’écoulement de l’eau décroît.

La pression P3 est choisie ou réglée de telle sorte qu’au repos, c’est-à-dire pour une vitesse v d’écoulement nulle, la pression P3 soit inférieure à la pression P1. La cloison mobile 17 occupe ainsi, pour une vitesse v nulle, une position de repli située près de l’avant du propulseur 1 (à gauche, en figure 1).

On suppose que la pression P1 diminue, par augmentation de la vitesse v, jusqu’à devenir inférieure à la pression P3. La cloison mobile 17 est alors repoussée (ou aspirée) vers l’arrière du propulseur 1 (vers la droite, en figure 1). Cela provoque conjointement, par augmentation de volume du deuxième compartiment 153, une diminution de la pression P3. Cette diminution de la pression P3, s’opposant à la diminution de la pression P1, tend à ramener la cloison mobile 17 vers l’avant du propulseur 1 (vers la gauche, en figure 1). La cloison mobile 17 s’immobilise donc dans une position intermédiaire permettant aux pressions P1 et P3 de s’équilibrer ou de se compenser.

On suppose maintenant que la pression P1 augmente, par diminution de la vitesse v, jusqu’à devenir supérieure à la pression P3. La cloison mobile 17 est alors ramenée vers l’avant du propulseur 1 (vers la gauche, en figure 1). Cela provoque conjointement, par diminution de volume du deuxième compartiment 153, une augmentation de la pression P3. Cette augmentation de la pression P3, s’opposant à l’augmentation de la pression P1, tend à repousser la cloison mobile 17 vers l’arrière du propulseur 1 (vers la droite, en figure 1). La cloison mobile 17 s’immobilise donc dans une autre position intermédiaire permettant aux nouvelles pressions P1 et P3 de s’équilibrer ou de se compenser.

En résumé, les pressions P1 et P3 tendent toutes deux à déplacer le piston 17 dans des directions opposées. Le piston 17 s’immobilise donc, à vitesse v non nulle, dans une position résultant d’un équilibre dynamique s’établissant entre les pressions P1 et P3.

Selon le mode de réalisation exposé en relation avec la figure 1, la cloison mobile 17 comporte une crémaillère 171 disposée parallèlement à l’axe 113 de rotation de l’hélice 11. Sur cette crémaillère 171 vient s’engrener un pignon 173. Le pignon 173 est, en figure 1, maintenu solidaire de la pale 111 de l’hélice 11. La crémaillère 171 est montée de telle sorte qu’un déplacement de la cloison mobile 17 vers l’arrière du propulseur 1 (vers la droite, en figure 1) entraîne une augmentation de l’angle θ de calage de la pale 111. Un mécanisme similaire (non représenté), permettant de modifier l’angle α de la pale 112 de l’hélice 11, est également mis en œuvre.

Comme mentionné précédemment, une augmentation de la vitesse v conduit, par effet Venturi, à une diminution de la pression P1 dans le premier compartiment 151. Cela provoque ainsi un déplacement de la cloison mobile 17 vers l’arrière du propulseur 1 (vers la droite, en figure 1). Ce déplacement de la cloison mobile 17 tend, par l’intermédiaire de l’engrenage constitué de la crémaillère 171 et du pignon 173, à augmenter l’angle θ d’attaque de la pale 111. De même, une diminution de la vitesse v conduit, par effet Venturi, à une augmentation de la pression P1 dans le premier compartiment 151. Cela provoque ainsi un déplacement de la cloison mobile 17 vers l’avant du propulseur 1 (vers la gauche, en figure 1). Ce déplacement de la cloison mobile 17 tend, par l’intermédiaire de la crémaillère 171 et du pignon 173, à diminuer l’angle θ d’attaque de la pale 111. Des modifications semblables s’opèrent, grâce au déplacement de la cloison mobile 17, sur l’angle α d’attaque de la pale 112. Le déplacement du piston 17 dans la chambre 15 entre des positions extrémales conduit ainsi à modifier les angles d’attaque θ et α sur une plage angulaire inférieure à 90°, de préférence de l’ordre de 15°.

On peut donc, par effet Venturi, modifier automatiquement l’angle d’attaque des pales 111 et 112 en fonction de la vitesse v d’écoulement de l’eau autour du propulseur 1. En d’autres termes, la cloison mobile 17 permet, en se déplaçant, d’asservir le pas de l’hélice 11 en fonction de la vitesse v. Le propulseur 1 est donc bien doté d’une hélice 11 à pas variable automatique. En d’autres termes, le propulseur 1 est un propulseur à pas variable automatique.

En variante, le milieu dans lequel est placé le propulseur 1 est de l’air. Le premier compartiment 151 de la chambre 15 est, le cas échéant, rempli d’air. Un écoulement d’air le long du corps 13 du propulseur 1 provoque, par effet Venturi, une dépression dans le premier compartiment 151. Cette dépression tend, comme exposé précédemment, à décaler le piston 17 vers l’arrière du propulseur 1 (vers la droite, en figure 1), donc à augmenter le pas de l’hélice 11.

La figure 2 illustre de façon schématique et partielle, par une vue latérale et en coupe, un autre mode de réalisation d’un propulseur 2 à hélice à pas variable automatique.

Le propulseur 2 de la figure 2 comprend des éléments communs avec le propulseur 1 de la figure 1. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le propulseur 2 de la figure 2 diffère du propulseur 1 de la figure 1 principalement en ce que le propulseur 2 comporte au moins une pièce 135 supplémentaire ou additionnelle. Cette pièce 135 forme, par rapport à une surface externe de la chambre 15, un étranglement 137 se resserrant au voisinage des orifices 131. L’étranglement 137 est, en figure 2, accentué par une géométrie (ou galbe, ou forme) particulière du corps 13 du propulseur 2 à proximité des orifices 131. La pièce 135 est, par exemple, une couronne entourant le corps 13 et fixée au propulseur 2 en plusieurs endroits (non représentés sur la vue en coupe).

L’étranglement 137 est adapté à accélérer localement l’écoulement du fluide au voisinage des orifices 131. En d’autres termes, le fluide s’écoule localement, à proximité des orifices 131, à une vitesse supérieure à la vitesse v d’ensemble de l’écoulement. Cette accélération locale de l’écoulement permet d’accentuer l’effet Venturi et d’augmenter ainsi la dépression produite à l’intérieur du premier compartiment 151 de la chambre 15. Dans l’exemple de la figure 2, la pression P1 régnant dans le premier compartiment 151 du propulseur 2 sera donc, à vitesse d’écoulement v égale, inférieure à la pression P1 régnant dans le premier compartiment 151 du propulseur 1 (figure 1).

Selon un mode de réalisation préféré, le propulseur 2 comporte également, outre les deux premiers orifices 131, un ou plusieurs deuxièmes orifices 133 parallèles à l’axe 113 de rotation de l’hélice 11. En figure 2, par exemple, deux deuxièmes orifices 133 sont pratiqués dans le propulseur 2. Les orifices 133 forment ainsi des trous traversants (ou prises d’eau) qui débouchent à l’intérieur de la chambre 15. Lorsque le propulseur 2 est immergé, des échanges d’eau peuvent ainsi se produire librement, par l’intermédiaire des orifices 131 et 133, entre l’intérieur et l’extérieur de la chambre 15. Dans l’exemple de la figure 2 :
le premier compartiment 151 communique, via les deux premiers orifices 131, avec l’extérieur de la chambre 15 ; et
le deuxième compartiment 153 communique, via les deux deuxièmes orifices 133, avec l’extérieur de la chambre 15. Le deuxième compartiment 153 est alors, en figure 2, empli non plus d’air comme en figure 1, mais d’eau.

Les deuxièmes orifices 133 permettent, lorsque la vitesse v d’écoulement croît, de faire augmenter la pression P3 régnant à l’intérieur du deuxième compartiment 153 de la chambre 15. Il en résulte qu’un accroissement de la vitesse v entraîne non seulement une diminution, par effet Venturi, de la pression P1, mais aussi une augmentation de la pression P3. Dans l’exemple de la figure 2, les pressions P1 et P3 tendent donc toutes deux à déplacer le piston 17 dans un même sens, ici vers l’arrière du propulseur 2 (vers la droite, en figure 2), contrairement à l’exemple de la figure 1 où les pressions P1 et P3 tendent à déplacer le piston 17 dans des sens opposés.

Afin de contraindre ou limiter ce déplacement du piston 17, le propulseur 2 de la figure 2 est, de surcroît, pourvu d’un ressort 19 de rappel, par exemple, à spires non jointives. Le ressort 19 de rappel est disposé suivant l’axe 113 de rotation de l’hélice 11. Ce ressort 19 prend appui :
d’une part sur une surface du piston 17 délimitant le premier compartiment 151 de la chambre 15 ; et
d’autre part sur une face interne du compartiment 151 située à l’arrière du propulseur 2.

Le ressort 19 tend ainsi, par une force de rappel dirigée parallèlement à l’axe 113, à pousser la cloison mobile 17 vers l’avant du propulseur 2 (vers la gauche, en figure 2), autrement dit vers une position correspondant à une valeur extrémale du pas de l’hélice 11. La valeur extrémale du pas de l’hélice 11 équivaut, en figure 2, à une valeur minimale du pas également appelée « petit pas ».

On se ramène ainsi à un fonctionnement équivalent à celui de la figure 1, à ceci près que le piston 17 s’immobilise, pour chaque vitesse v, dans une position résultant d’un équilibre dynamique s’établissant non plus entre les pressions P1 et P3 seulement, mais entre :
d’une part les pressions P1 et P3, qui tendent à repousser le piston 17 vers l’arrière du propulseur (vers la droite, en figure 2) ; et
d’autre part la force exercée par le ressort 19 de rappel, qui tend à ramener le piston 17 vers l’avant du propulseur (vers la gauche, en figure 2).

À vitesse v nulle, les pressions P1 et P3 sont sensiblement égales. La position du piston 17 est alors située à l’avant du propulseur 1 (à gauche, en figure 2), c’est-à-dire dans la position qui correspond au petit pas de l’hélice 11. Lorsque la vitesse v augmente, le piston 17 vient comprimer le ressort 19 en se déplaçant vers une position correspondant, en figure 2, à une valeur maximale du pas, également appelée « grand pas », de l’hélice 11.

Un avantage du mode de réalisation exposé en relation avec la figure 2 réside dans le fait que le pas de l’hélice 11 du propulseur 2 est régulé par une force d’origine hydrodynamique, liée de façon biunivoque à la vitesse de l’écoulement.

Un autre avantage du mode de réalisation de la figure 2 par rapport à celui de la figure 1 est qu’il s’affranchit d’une contrainte de maintien d’une étanchéité dynamique entre les compartiments 151 et 153 de la chambre 15. Les compartiments 151 et 153 peuvent, en effet, s’échanger de faibles quantités d’eau, au regard des volumes des compartiments 151 et 153, sans que cela ne vienne pour autant perturber le fonctionnement du mécanisme de modification du pas de l’hélice 11. Cela permet notamment de relâcher d’éventuelles contraintes de précision dans la fabrication de la chambre 15 et du piston 17.

Le propulseur décrit en figure 1 ou 2 comporte, en outre, un mécanisme de modification automatique du pas de l’hélice 11 constitué d’un faible nombre de composants. Ce propulseur 2 est donc globalement plus simple à concevoir, à réaliser et à mettre au point que les propulseurs à pas variable automatique existants.

La figure 3 illustre de façon schématique et partielle, par des vues (A) et (B) latérales et en coupe, encore un autre mode de réalisation d’un propulseur 3 à hélice à pas variable automatique.

Le propulseur 3 de la figure 3 comprend des éléments communs avec le propulseur 2 de la figure 2. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le propulseur 3 de la figure 3 diffère du propulseur 2 de la figure 2 principalement en ce qu’il est dépourvu de l’engrenage constitué de la crémaillère 171 (figure 2) et du pignon 173 (figure 2).

Selon ce mode de réalisation, le piston 17 comporte une surface inclinée 175, ou pan incliné, par rapport à l’axe 113 de rotation de l’hélice. Une came 177 est adaptée à porter (ou rouler, ou glisser) contre la surface 175 pour actionner le mécanisme de modification du pas de l’hélice 11. Dans l’exemple de la figure 3, la came 177 est montée à une extrémité d’un levier 179. L’autre extrémité du levier 179 est maintenue solidaire de la pale 111 de l’hélice 11, ou de l’axe 115 de pivotement. En d’autres termes, l’engrenage constitué de la crémaillère 171 (figure 2) et du pignon 173 (figure 2) est remplacé, en figure 3, par la surface inclinée 175 du piston 17, la came 177 et le levier 179.

Les vues A et B illustrent des positions de pas différentes.

On considère, dans un premier temps (vue A), que l’hélice 11 du propulseur 3 tourne à une vitesse ω autour de l’axe 113. Le fluide s’écoule vers l’arrière du propulseur 3 (flèche 116) à une vitesse v1, par exemple sous l’effet d’un déplacement du propulseur 3 provoqué par la rotation de l’hélice 11. La pale 111 forme alors, par rapport à une normale aux axes 113 et 115, un certain angle de calage θ1. De même, la pale 112 forme alors, par rapport à une normale aux axes 113 et 115, un certain angle de calage α1.

Pour simplifier, on considère par la suite que l’angle de calage de la pale 111 est toujours égal à l’angle de calage de la pale 112. On ne s’intéresse ainsi qu’aux variations de l’angle de calage de la pale 111, les variations de l’angle de calage de la pale 112 s’opérant par un mécanisme similaire.

On suppose alors que la vitesse de l’écoulement augmente (vue B) pour atteindre une valeur v2 supérieure à v1. Le piston 17 se déplace alors, comme exposé en relation avec la figure 2, en direction de l’arrière du propulseur 3 (flèche 118), venant ainsi comprimer le ressort 19. Grâce au plan incliné 175, l’extrémité du levier 179 sur lequel est montée la came 177 se rapproche donc de l’axe 113. Cela provoque une rotation (flèche 120) de la pale 111 autour de l’axe 115. En vue B, la pale 111 forme alors, par rapport à une normale aux axes 113 et 115, un nouvel angle de calage θ2 supérieur à l’angle de calage θ1 (vue A). De même, la pale 112 forme alors, par rapport à une normale aux axes 113 et 115, un nouvel angle de calage α2 supérieur à l’angle de calage α1 (vue A).

Un propulseur tel que le propulseur 3 est particulièrement adapté à équiper des embarcations de faible puissance, par exemple des embarcations à propulsion humaine, où un rendement maximal de l’hélice 11 est recherché. On peut alors adapter facilement la régulation du pas de l’hélice 11 en fonction de capacités physiques d’un utilisateur de l’embarcation, par exemple en installant un ressort 19 présentant une constante de raideur différente, ou en modifiant la forme de la came 177.

La figure 4 représente, par des vues A et B en perspective et en écorché, encore un autre mode de réalisation d’un propulseur 4 à hélice à pas variable automatique.

Les vues A et B illustrent des positions de pas différentes.

Le propulseur 4 de la figure 4 comprend des éléments communs avec le propulseur 3 de la figure 3. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le propulseur 4 de la figure 4 diffère du propulseur 3 de la figure 3 principalement en ce que piston 17 entraîne en translation un tiroir 47. Ce tiroir 47 actionne un levier 45 relié à la pale 111. Un autre levier 45 (non représenté) est également relié à la pale 112.

Le corps 13 du propulseur 4 est, en figure 4, constitué d’un moyeu 130 s’emboîtant dans un cône 132. Sur le cône 132 est fixée la pièce 135 permettant d’accentuer la dépression, causée par effet Venturi, au voisinage des premiers orifices 131. L’hélice 11 est fixée sur un arbre 43 d’hélice traversant une pièce 41 de montage au système auquel elle est associée, par exemple une embarcation (non représentée).

Le propulseur 4 est, en vue A, représenté dans une position où le ressort 19 est détendu. Cette position correspond au petit pas de l’hélice 11.

Le propulseur 4 est, en vue B, représenté dans une position où le ressort 19 est totalement comprimé. Cette position correspond au grand pas de l’hélice 11.

La figure 5 représente un exemple d’embarcation équipée d’un propulseur à hélice à pas variable automatique.

Dans l’exemple de la figure 5, une embarcation 7 (par exemple, une embarcation à propulsion humaine ou pédalo) comporte au moins un propulseur 4 à hélice à pas variable automatique, par exemple un unique propulseur 4. Le propulseur 4 est fixé à une coque 71 de l’embarcation 7. L’embarcation 7 est pourvue d’une transmission 73 adaptée à modifier la vitesse de rotation de l’hélice 11 du propulseur 4. L’embarcation 7 dispose, en outre, de foils 77 ou ailes profilées ajustables par l’intermédiaire d’un dispositif 75 de contrôle ou palpeur 75 permettant de jauger un enfoncement de l’embarcation 7 par rapport à la surface de l’eau.

Le propulseur 4 permet de faire voguer l’embarcation 7 sur l’eau. Lorsque l’embarcation 7 navigue, le propulseur 4 est placé dans un écoulement d’eau dont la vitesse d’ensemble v est égale à une vitesse de déplacement de l’embarcation 7 sur l’eau. Le pas de l’hélice 11 du propulseur 4 est ainsi adapté ou asservi en fonction de la vitesse de déplacement de l’embarcation 7. Cela permet, par exemple, à un utilisateur de l’embarcation 7, provoquant la rotation de l’hélice 11 à la force de ses jambes, de maintenir une cadence de pédalage sensiblement constante quelle que soit la vitesse de déplacement de l’embarcation 7.

La figure 6 représente, de façon partielle, un mode de réalisation d’une hélice 11 de propulseur.

Selon ce mode de réalisation, la pale 111 de l’hélice 11 possède des dimensions adaptées en fonction de l’application. La pale 112, représentée de façon partielle en figure 6, possède, de préférence, des dimensions identiques à celles de la pale 111. Pour une embarcation à propulsion humaine, telle que l’embarcation 7 (figure 5), la pale 111 possède une longueur, notée LP, d’environ 240 mm, de préférence égale à 240 mm.

On suppose que l’hélice 11 tourne, à une vitesse angulaire ω, autour d’un axe 113 de rotation, comme exposé précédemment en relation avec les figures 1 à 5. Une extrémité inférieure 1111 de la pale 111 est disposée, par rapport à cet axe de rotation 113, à une distance, notée DA, d’environ 35 mm, de préférence égale à 35 mm. De même, une extrémité inférieure 1121 de la pale 112 est disposée, par rapport à l’axe de rotation 113, à une distance DA d’environ 35 mm, de préférence égale à 35 mm. En d’autres termes, les extrémités inférieures 1111 et 1121 des pales 111 et 112, respectivement, sont approximativement équidistantes de l’axe de rotation 113, de préférence équidistantes de l’axe de rotation 113. Les extrémités inférieures 1111 et 1121 sont également appelées « pieds de pale ».

On définit une grandeur, appelée « pas géométrique », comme étant égale à une distance théoriquement parcourue par l’hélice 11 lorsque ses pales 111 et 112 effectuent un tour complet autour de l’axe de rotation 113. Les pas géométriques de l’hélice 11 sont les suivants :
un grand pas géométrique d’environ 1 m, correspondant à des angles de calage θ2 et α2 (figure 3, vue (B)) approximativement nuls ; et
un petit pas géométrique d’environ 0,67 m, correspondant à des angles de calage θ1 et α1 (figure 3, vue (A)) approximativement égaux à -10°.

L’hélice 11, installée sur le propulseur 4 de l’embarcation 7, permet ainsi d’atteindre :
en grand pas, une poussée d’environ 110 N pour une vitesse de rotation ω d’environ 400 tr/min, ce qui correspond, pour l’embarcation 7, à une vitesse de déplacement approximativement égale à 20 km/h ; et
en petit pas, une poussée d’environ 120 N pour une vitesse de rotation ω d’environ 400 tr/min, ce qui correspond, pour l’embarcation 7, à une vitesse de déplacement approximativement égale à 10 km/h.

Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à l’homme de l’art. En particulier, la mise en œuvre de tout type de mécanisme susceptible de transformer le mouvement de translation du piston 17 en un mouvement de pivotement des pales 111 et 112 autour de leur axe 115 est à la portée de l’homme de l’art à partir des indications fournies ci-dessus.

Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l’homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, il est possible d’étendre les modes de réalisation décrits ci-dessus à une configuration où l’hélice 11 présente un nombre de pales supérieur à deux.

Claims

Dispositif comportant une hélice (11) à pas variable, dans lequel un écoulement (116) externe d’un fluide engendre, par effet Venturi, une dépression dans un premier compartiment (151) d’une chambre (15) comportant un ou plusieurs premiers orifices (131) non parallèles à un axe (113) de rotation de l’hélice (11), une variation de cette dépression provoquant un déplacement d’une cloison mobile (17) actionnant un mécanisme de modification du pas de l’hélice (11).
Dispositif comprenant :
une hélice (11) à pas variable ;
une chambre (15) comportant un ou plusieurs premiers orifices (131) non parallèles à un axe (113) de rotation de l’hélice (11) ;
une cloison mobile (17) délimitant, à l’intérieur de la chambre (15), un premier compartiment (151) communiquant avec l’extérieur par ce ou ces premiers orifices (131) ; et
un mécanisme, associé à la cloison mobile (17), de modification du pas de l’hélice (11) par effet Venturi.
Dispositif selon la revendication 2, dans lequel une variation d’une dépression, dans le premier compartiment (151), entraîne une modification du pas de l’hélice (11).
Dispositif selon la revendication 1 ou 3, dans lequel une augmentation de la dépression provoque une augmentation du pas de l’hélice (11).
Dispositif selon la revendication 1, 3 ou 4, dans lequel une diminution de la dépression provoque une diminution du pas de l’hélice (11).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins une pièce supplémentaire (135) forme, par rapport à une surface externe de la chambre (15), un étranglement (137) au voisinage de ce ou ces premiers orifices (131).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la cloison mobile (17) délimite en outre, à l’intérieur de la chambre (15), un deuxième compartiment (153) communiquant avec l’extérieur par un ou plusieurs deuxièmes orifices (133) parallèles à l’axe (113) de rotation de l’hélice (11).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la cloison mobile (17) est liée à un ressort (19) de rappel vers une position correspondant à une valeur extrémale du pas de l’hélice (11).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la cloison mobile (17) est un piston comportant une surface (175) inclinée, par rapport à l’axe (113) de rotation de l’hélice (11), sur laquelle vient s’appuyer une came (177) adaptée à actionner le mécanisme de modification du pas de l’hélice (11).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la cloison mobile (17) est associée à un engrenage, constitué d’une crémaillère (171) et d’un pignon (173), adapté à actionner le mécanisme de modification du pas de l’hélice (11).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le mécanisme de modification du pas de l’hélice (11) modifie un angle (θ, α ; θ1, α1 ; θ2, α2) de calage de pales (111, 112) sur une plage angulaire inférieure à 90°, de préférence de l’ordre de 15°.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l’hélice (11) comporte au moins deux pales (111, 112) disposées radialement et séparées de l’axe (113) de rotation par une distance (DA) d’environ 35 mm, de préférence égale à 35 mm, ces pales possédant une longueur (LP) d’environ 240 mm, de préférence égale à 240 mm.
Dispositif propulseur (1 ; 2 ; 3 ; 4) comportant un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
Embarcation (7) à propulsion humaine comportant au moins un dispositif propulseur conforme à la revendication 13.
Dispositif de récupération d’énergie, comportant un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.