FR3111324A1 - Tuyere de propulseur de fluide a decrochage dynamique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une tuyère (1 ; 50 ; 70) soutenant l'action d'un propulseur de fluide en agissant de manière directe sur le fluide, notamment grâce à une surface interne comprenant sur sa portion amont : au moins une portion de surface divergente (6 ; 13 ; 58 ; 78) par rapport à la direction aval-amont du courant généré par le propulseur ; au moins une inflexion de la surface (7 ; 53 ; 71), c'est à dire un changement brusque de l'orientation de la surface (sans qu'il n'y ait nécessairement de changement de signe dans la concavité), de manière à ce que la tuyère présente au moins une arête (5) sur la surface interne de sa portion amont (6 ; 78), et de manière à ce que que la portion juste en amont (13 ; 58) de ladite inflexion (7 ; 53) ait une divergence par rapport à la direction aval (12) – amont (11) plus importante que la portion juste en aval de ladite inflexion. Figure pour l'abrégé : Figure 1.
Description
La présente invention se rapporte au domaine de la propulsion de véhicules dans les fluides par des dispositifs propulsifs comprenant une tuyère disposée autour d'un propulseur comme par exemple un propulseur à hélice ou à aubes.
Plus particulièrement, l’invention concerne une tuyère soutenant l'action d'un propulseur de fluide en agissant de manière directe sur le fluide, notamment grâce à une surface interne comprenant sur sa portion amont une ou plusieurs inflexions de la surface.
Dans le domaine de la propulsion dans les fluidesil est connu de l’homme du métier, notamment par le document brevet GB1318868A, un dispositif propulsif marin composé d'une hélice et d'une tuyère marine disposée en périphérie de ladite hélice. Selon une réalisation divulguée par ledit document, la tuyère est notamment caractérisée par une sortie, en arrière de l'hélice, comprenant sur son extrémité arrière (la poupe) une portion chanfreinée ou biseautée de manière à être divergente par rapport à la direction arrière, le chanfrein ou le biseau s'étendant jusqu'au bord de fuite de la tuyère.
De telles caractéristiques améliorent la capacité de la tuyère à produire une poussée soutenant l'action de l'hélice lorsque ladite hélice tourne en marche arrière, et que la circulation du fluide au travers et autour de la tuyère est donc inversée.
À noter que dans tout le présent texte, on entend par :
- «amont» le côté du dispositif propulsif d'où provient le fluide propulsé, peu importe le sens de fonctionnement du propulseur (par exemple, marche avant ou marche arrière);
- « aval» le côté du dispositif propulsif opposé au côté amont ;
- «poupe» de la tuyère la portion avale de la tuyère lorsque le propulseur fonctionne en marche avant, c'est à dire l'extrémité partant du bord de fuite (en marche avant) jusqu'à un plan intermédiaire situé entre les deux extrémités de la tuyère ;
- «proue» de la tuyère la portion amont de la tuyère lorsque le propulseur fonctionne en marche avant, c'est à dire l'extrémité partant du bord d'attaque (en marche avant) jusqu'à un plan intermédiaire situé entre les deux extrémités de la tuyère ;
- «axe de la tuyère» l'axe colinéaire à la force résultante produite par le dispositif propulsif comprenant notamment le propulseur et sa tuyère, orienté de l'aval vers l'amont à moins que l'orientation ne soit précisée autrement.
Cette dernière disposition de la poupe de la tuyère est similaire à la disposition de la proue d'une tuyère marine accélérante, ce qui permet de créer sur la poupe de la tuyère lorsque l'hélice fonctionne en marche arrière un effet similaire à celui produit sur la proue de la tuyère lorsque l'hélice fonctionne en marche avant. Une tuyère comportant une géométrie similaire (sans qu'elle n'ait nécessairement la même proportion) sur sa proue et sur sa poupe est qualifiée de «bi-directionnelle».
L'effet dont il est question dans le paragraphe précédant est celui d'une dépression hydrodynamique locale s'appliquant sur la paroi interneamontde la tuyère, causée par des vitesses de fluide accrues. Plus la normale de la surface interne de la tuyère sur laquelle s'applique la dépression est proche de la direction de propulsion, plus la force résultante projetée sur ladite direction de propulsion est importante et supporte donc l'effort de l'hélice. La divergence de la surface interne amont, dans le sens aval-amont est donc d'importance primordiale pour que la tuyère supporte l'effort de l'hélice. Cet effet est appelé dans le présent texte «effet de tuyère conventionnel».
Toutefois, la caractéristique bi-directionnelle des tuyères marines apporte également un effet négatif crucial : elle pénalise le fonctionnement de la tuyère en marche avant, pour laquelle ladite tuyère bi-directionnelle produit moins de poussée qu'une tuyère non bi-directionnelle équivalente. C'est pourquoi les tuyères bi-directionnelles marines ne sont en général pas complètement symétriques par rapport à un plan normal à l'axe de la tuyère : la marche avant est favorisée avec une divergence interne plus prononcée sur la proue de la tuyère par rapport à la direction aval-amont. La pénalité en marche avant serait autrement trop prononcée.
La détérioration du fonctionnement en marche avant sur les tuyères bi-directionnelles provient d'un effet de dépression hydrodynamique similaire à celui produisant un effet bénéfique sur la poussée, à l’exception du fait qu'elle est localisée sur la portion interneavalede la tuyère et que par conséquent elle s'applique sur la surface interne divergente dans la direction amont-aval. Il en résulte une poussée vers l'aval qui s'oppose à la poussée de l'hélice.
Lorsque la poussée produite par l'application d'une dépression hydrodynamique sur la surface interne de la tuyère travaille à l'opposé du propulseur, on la qualifie de « poussée parasite » .
Les tuyères bi-directionnelles marines complètement symétriques par rapport à un plan normal à l'axe de la tuyère sont qualifiées de «symétriques ». Ces dernières sont utilisées lorsque le besoin en poussée est équivalent dans les deux sens de propulsion, comme par exemple sur un propulseur d'étrave. La performance des tuyères symétriques est amoindrie dans les deux sens de propulsion par le phénomène de poussée parasite s’appliquant dans les deux cas de manière équivalente sur la paroi interne aval de la tuyère.
Plus généralement,la chute de performance des tuyères de propulseurs de fluide due à la poussée parasite est présente en fonctionnement inversé (par exemple en marche arrière) dès lors que la tuyère présente sur sa portion amont en fonctionnement normal (par exemple la marche avant) une portion de surface interne divergente par rapport à la direction aval-amont. Or il s'agit précisément de la caractéristique permettant un bénéfice en marche normale par l'effet de tuyère conventionnel.
Par ailleurs, la solution bi-directionnelle ne s'applique qu'aux tuyères marines dites accélérantes, c'est à dire aux tuyères qui provoquent notamment, pour le cas de dispositifs propulsifs à hélice, une vitesse de fluide accrue au niveau de l'hélice (en supposant que cette dernière soit bien située entre les deux extrémités de la tuyère considérée) par rapport à un fonctionnement équivalent de ladite hélice nue. Ce type de tuyère est généralement utilisé sur des embarcations lentes ou pour effectuer des poussées statiques.
Les tuyères décélérante marine ou non, permettant par exemple d'accroître la pression du fluide à l'intérieur de la tuyère par exemple en resserrant le diamètre intérieur de la partie avale de la tuyère, n'ont pas de solution pour améliorer la marche arrière.
Un objet de l'invention est donc d'améliorer la capacité de poussée et la réversibilité des tuyères de propulseur de fluide, c'est à dire d'améliorer leurs performances dans les deux sens de propulsion.
À cet effet,l’invention a pour objetune tuyère de propulseur de fluide, comprenants ur la surface interne de sa portion amont, pour l'un ou l'autre sens de propulsion :
- au moins une portion de surface divergentepar rapport à la direction aval-amont du courant généré par le propulseur ;
- au moins une inflexion de la surface,c'est à dire un changement brusque de l'orientation de la surface (sans qu'il n'y ait nécessairement de changement de signe dans la concavité), de manière à ce que la tuyère présenteau moins une arêtesur la surface interne de sa portion amont, et de manière à ce que la portion juste en amont de ladite inflexion ait une divergence par rapport à la direction aval-amont plus importante que la portion juste en aval de ladite inflexion.
Ainsi, lorsque le propulseur fonctionne enmarche inversée(par exemple en marche arrière), ladite arête matérialisant l'inflexion de la surface permet un« décrochage dynamique »du fluide sortant, écartant ainsi la dépression dynamique de la surface interne située en aval de l'inflexion et inhibant de ce fait une partie de la poussée parasite. Il en résulte une meilleure performance en marche inversée de la tuyère selon l'invention.
De plus, lorsque le propulseur fonctionne enmarche normale(par exemple la marche avant), l'arête matérialisant l'inflexion de surface crée également un décrochage dynamique en aval de ladite arête. De par sa position sur la tuyère la zone de flux perturbé par le décrochage n'occupe qu'un volume limité et permet unamincissement de la couche limitedu fluide dans laquelle les efforts de cisaillement du fluide génèrent des pertes d'origine visqueuses. Il en résulte une première amélioration de la performance en marche normale.
Enfin, lorsque le propulseur fonctionneen marche normale,la singularité géométrique de ladite arête créeun effet de gouletpar lequel le fluide doit s'écouler, accélérant localement la vitesse dudit fluide. Cette accélération accentue l'effet de tuyère conventionnel, rendant ainsi la tuyère selon l'invention plus efficace en marche normale.
Il en résulte donc une performance accrue de la tuyère selon l'invention dans les deux sens de propulsion.
Selon une réalisation de l'invention la tuyère comprend sur la surface interne de sa portion amont pour l'un ou l'autre sens de propulsionplusieurs inflexions de la surface,c'est à dire plusieurs changements brusques de l'orientation de la surface (sans qu'il n'y ait nécessairement de changement de signe dans la concavité), de manière à ce que la tuyère présenteplusieurs arêtessur la surface interne de sa portion amont,et de manière à ce que chaque portion juste en amont d'une inflexion donnée ait une divergence par rapport à la direction aval-amont plus importante que la portion juste en aval de ladite inflexion.
Ainsi, la tuyère selon ladite réalisation de l'invention bénéficie de l'effet de décrochage dynamique en marche inversée et de l'amincissement de la couche limite en marche normale sans toutefois modifier substantiellement la géométrie d'une tuyère conventionnelle réputée efficace en marche normale. La réversibilité et la performance de la tuyère selon ladite réalisation de l'invention sont ainsi améliorées.
Selon une réalisation de l’invention, la tuyère de propulseur de fluidecomprend également, sur la surface interne desa portion avalepour le même sens de propulsion considéré :
- au moins une portion de surface divergentepar rapport à la direction amont-aval du courant généré par le propulseur ;
- une ou plusieurs inf lexionsde la surface, c'est à dire un ou plusieurs changements brusques de l'orientation de la surface (sans qu'il n'y ait nécessairement de changement de signe dans la concavité), de manière à ce que la tuyère présenteune ou plusieurs arêtessur la surface interne de sa portion aval, et de manière à ce que chaque portion juste en aval d'une inflexion donnée ait une divergence par rapport à la direction amont-aval plus importante que la portion juste en amont de ladite inflexion.
Ainsi, que le propulseur fonctionne en marche normale (par exemple en marche avant) ou en marche inversée (par exemple en marche arrière) ladite tuyère bénéficie de l'effet de tuyère conventionnel. De plus, dans les deux sens de propulsion la ou les arêtes matérialisant la ou les inflexions de surfaces internes avales permettent au moins un décrochage dynamique du fluide sortant écartant ainsi la dépression dynamique de la surface interne avale et inhibant de ce fait la poussée parasite. Il en résulte une meilleure performance de la tuyère selon ladite réalisation de l'invention dans les deux sens de propulsion.
Ce dernier type de réalisation est particulièrement intéressant pour les dispositifs propulsifs ayant des besoins en poussée importants dans les deux sens de propulsion, comme par exemple les propulseurs d'étrave.
Selon une réalisation de l’invention, au moins une inflexion de la surface interne amont de la tuyère pour l'un ou l'autre sens de propulsion est caractérisée en considérant l'enveloppe définie par la coupe de la tuyère par un plan coïncidant avec :
- des normales locales de la surface interne successives comprises dans un même plan, ainsi qu'avec
- un axe parallèle à l'axe de la tuyère.
Ledit plan de coupe est appelé «plan de profil», et ladite enveloppe est appelée le «profil» de la tuyère. Dans le présent texte, à moins que ce ne soit précisé autrement, le terme « profil » fait référence à la partie interne dudit profil.
Selon ladite réalisation de l'invention, lerayon de courbured'au moins un profil de la tuyère passant par ladite inflexion chute brutalement à l'endroit de ladite inflexion interne amont, de manière continue ou au contraire de manière discontinue, jusqu'à atteindre unminimum compris limites incluses entre 0 et un vingtième (1/20ème) de la « corde » dudit profil, c'est à dire un vingtième (1/20ème) du plus long segment possible inscrit dans ledit profil de la tuyère.
Ainsi, le changement de l'orientation de la surface interne amont au niveau de ladite inflexion est suffisamment brusque pour que le décrochage dynamique opère dans une large gamme de propulsions et de vitesses de fluide. La tuyère selon ladite réalisation de l'invention est par conséquent opérante sur une plus large plage de fonctionnement.
Dans un cas particulier de ladite réalisation de l'invention, lerayon de courbured'un profil de la tuyère à l'endroit d'au moins une inflexion interne amont estnul. Par conséquent, l'arête matérialisant ladite inflexion de surface est vive. Bien que ce type de réalisation selon l'invention soit difficile de mise en œuvre, une arête vive et saillante est optimale pour le décrochage dynamique ce qui rend la tuyère selon ladite réalisation particulièrement efficace en marche inversée.
Selon une réalisation de l’invention, au moins une inflexion de surface de la portion interne amont de la tuyère pour l'un ou l'autre sens de propulsion estpositionnée, selon l'axe de la tuyère dans la direction aval-amont,avantune portion de tuyère oùla divergenced'une portion de surface interne par rapport à l'axe de la tuyère selon le sens aval-amont estforte. On entend ici par « divergence forte » une pente d'au moins un profil de ladite tuyère passant par ladite inflexion d'une valeur supérieure ou égal à 60° à l'endroit de la surface interne considérée.
À noter que dans le paragraphe précédant et dans tout le présent texte, on entend par «pente du profil» l'angle aigu formée par la tangente du profil et un axe parallèle à l'axe de la tuyère coïncidant avec le plan dudit profil. La pente de la surface interne du profil est positive lorsque ladite surface interne est divergente selon la direction aval-amont. La pente de la surface interne du profil est négative lorsque ladite surface interne est convergente selon la direction aval-amont (ou autrement formulé, lorsque ladite surface interne est divergente selon la direction amont-aval).
Ainsi en marche inversée le décrochage dynamique a lieu avant que le fluide propulsé à grande vitesse n'atteigne des zones où la surface interne avale diverge fortement selon la direction amont-aval, ce qui inhibe l'essentiel de la poussée parasite. En effet, l'application d'une dépression dynamique sur une portion de surface interne divergente créé une force projetée sur l'axe de la tuyère proportionnelle au sinus de la pente du profil. La composante radiale de cette force est généralement annulée par la surface interne opposée par rapport à l'axe de la tuyère.
La réversibilité de la tuyère selon ladite réalisation de l'invention est donc améliorée.
Afin d'optimiser l'effet de décrochage dynamique du fluide, selon une réalisation de l'invention au moins une inflexion de la surface interne amont pour l'un ou l'autre sens de propulsion est positionnée et/ou dimensionnée de manière à maximiser la différence de pente d'un profil de ladite tuyère passant par ladite inflexion entre la zone juste en amont et la zone juste en aval de ladite inflexion.
À noter que dans le paragraphe précédant et dans tout le présent texte, on entend par « juste en amont » ou « juste en aval » à une distance vers l'amont ou l'aval inférieure à un dixième (1/10ème) de la corde du profil de la tuyère passant par l'endroit considéré.
Selon ladite réalisation de l'invention, ladite inflexion de la surface interne amont est caractérisée parune différence de pent ed'au moins profil passant par ladite inflexion entre la zone juste en amont et la zone juste en aval de ladite inflexiond'au moins 10 °. L'angle ainsi défini est appelé «angle d'inflexion».
Cet angle d'inflexion garanti un décrochage dynamique en marche inversée dans des conditions de propulsion courantes. Un angle d'inflexion plus faible ne pourrait générer un décrochage uniquement que dans des conditions de propulsion extrêmes avec de grandes vitesses de fluide propulsé. La tuyère selon ladite réalisation de l'invention est donc opérante sur une large plage de fonctionnement.
Selon une réalisation de l'invention,juste en avald'au moins une inflexion de la surface interne amont pour l'un ou l'autre sens de propulsion se trouve une portion de surface interne pour laquellela pented'au moins un profil passant par ladite inflexionest négative ou nulle. Lorsque ladite pente dudit profil est strictement négative, la surface interne de la tuyère à l'endroit considéré est convergente dans le sens aval-amont par rapport à l'axe de tuyère.
Une telle disposition permet d'augmenter l'angle de ladite inflexion, facilitant ainsi le décrochage dynamique en marche inversée. De plus, toujours en marche inversée, ladite réalisation selon l'invention permet d'orienter le flux sortant de la tuyère de manière substantiellement colinéaire à l'axe de ladite tuyère en évitant ainsi les pertes liées à un débit massique sortant de la tuyère avec une composante radiale à l'axe de la tuyère. Enfin en marche normale ladite réalisation de l'invention permet d'accroître la zone de décrochage dynamique juste en aval de ladite inflexion, et donc d'amincir de manière plus marquée la couche limite générant des efforts de cisaillements pénalisant la poussée.
Ainsi la performance de la tuyère selon ladite réalisation de l'invention est améliorée dans les deux sens de fonctionnement.
A noter que dans le présent texte, une tuyère comprend à minima une surface interne, ce qui inclus les tunnels de propulseurs de fluides traversants, comme par exemple de manière non limitative les propulseurs d'étrave traversants ou encore certains hydrojets. Une tuyère selon l'invention peut donc s'appliquer à ce type de propulseur.
À noter également que dans le présent texte, la tuyère selon l'invention peut avoir un profil évolutif, c'est à dire que le profil n'est pas identique pour tous les plans de profils possibles. Ainsi, une tuyère à profil évolutif selon l'invention est une tuyère pour laquelle au moins l'un des profils de ladite tuyère comporte au moins l'une des caractéristiques de la présente invention.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée des exemples non limitatifs qui suivent, pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés, parmi lesquels :
Dans cette figure, le profil 8 de la tuyère 1 est matérialisé par l'enveloppe de la vue en coupe de la tuyère, le plan de coupe passant par l'axe de la tuyère 2. Comme la tuyère est axisymétrique, les contours constituant le profil 8 de la tuyère 1 permettent une bonne identification de l'orientation de la surface de la tuyère 1.
La surface interne amont 6 de la tuyère 1 est divergente par rapport à la direction aval 12 - amont 11 (en marche avant). La tuyère 1 comprend sur la surface interne de sa proue 3 une arête 5 comprise entre le bord d'attaque 4 et le plan P, ladite arête matérialisant l'inflexion 7 de la surface interne amont 6 (en marche avant). La portion de surface interne 13 en amont de l'inflexion 7 a une divergence par rapport à la direction aval 12 - amont 11 plus importante que la portion de surface juste en aval de ladite inflexion 7.
Ainsi lorsque le dispositif propulsif comprenant la tuyère 1 fonctionne en marche avant la vitesse du courant de fluide, accrue par l'effet canalisant de la tuyère 1, crée une dépression hydrodynamique s'appliquant sur la surface interne amont 6 de la tuyère 1, et plus particulièrement sur la portion de surface 13 elle-même en amont de l'inflexion 7. Comme ces surfaces (6, 13) sont divergentes dans la direction aval 12 - amont 11 la force résultante de ladite dépression hydrodynamique projetée sur l'axe de la tuyère 2 supporte l'effort de l'hélice. La tuyère 1 participe donc à la poussée en marche avant grâce à un effet de tuyère conventionnel.
L'arête 5 matérialisant l'inflexion 7 de la surface intérieure amont 6 est vive et saillante. Sa protubérance singulière oblige le courant à accélérer localement autour de l'inflexion, tel un goulet d'étrangement. Cette accélération est bénéfique à l'effet de tuyère conventionnel puisqu'elle accentue la dépression hydrodynamique à l'origine dudit effet. La participation de la tuyère 1 à la poussée en marche avant est donc meilleure qu'avec une tuyère conventionnelle.
Le fonctionnement et les effets des particularités propres à l'invention lorsque le dispositif propulsif fonctionne en marche arrière sont détaillés dans la description de la figure 3, laquelle figure est une vue de détail de la proue 3 de la tuyère 1 illustrée en figure 1.
La tuyère 1 est directionnelle (par opposition à bi-directionnelle) : elle comprend un bord de fuite 9 en forme d'arête vive, ce qui permet un écoulement efficace du courant sortant de la tuyère 1 en marche avant.
La tuyère 1 est accélérante : la surface interne de la poupe 10 est légèrement divergente dans la direction amont 11 – aval 12, ce qui permet notamment à l'eau propulsée par l'hélice d'avoir une vitesse selon l'axe de tuyère 2 accrue au niveau du plan P par rapport à un fonctionnement équivalent de ladite hélice nue.
L'hélice non représentée génère une poussée colinéaire à l'axe de la tuyère 2. Elle est mue par un arbre colinéaire à l'axe de la tuyère 2, s'étendant en amont la tuyère 1 avant de passer au travers de la coque du navire sur lequel le dispositif propulsif est monté. La tuyère 1 est maintenue en position grâce à des membrures non représentées s'étendant de la surface extérieure de la tuyère 1 vers la coque du navire.
Une ligne de courant 24 illustre la trajectoire d'une particule de fluide s'écoulant le long de la surface interne 25 avec une grande vitesse, ce qui crée une dépression dynamique locale 27 dont la valeur peut se calculer par l'application du théorème de Bernoulli. Une isobare 33 délimite la zone hachurée représentant la dépression 27 dans laquelle la pression est inférieure à l'isobare 33. Entre le bord d'attaque 34 et le bord de fuite 35 (en marche arrière), la ligne de courant 24 conserve une trajectoire substantiellement parallèle au profil interne 25 de la tuyère 20. La ligne de courant 24 quitte la tuyère 20 avec une direction clairement divergente par rapport à l'axe de tuyère 26 selon l'orientation de la poupe 23 vers la proue 22. Cette divergence est en complète adéquation avec le phénomène de chute de performance en marche arrière, puisque une partie du débit massique du fluide est dirigé radialement à l'axe de tuyère 26, ne pouvant donc pas participer à la propulsion par effet de réaction.
De l'application de la dépression 27 sur la surface intérieure avale 28 de la proue 22 naît une force locale 29 s'appliquant sur ladite surface intérieur 28 orthogonalement à cette dernière. La résultante 31 de l'intégration de cette force locale 29 sur toute la proue 22 est opposée à la force de propulsion arrière 30 générée par l'hélice 21. La résultante 31 est donc une poussée parasite, qui pénalise le fonctionnement du dispositif propulsif en marche arrière.
Ledit angle d'inflexion A est particulièrement prononcé notamment grâce une portion de surface interne 40 juste en aval (en marche avant) de l'inflexion 7 convergente dans le sens aval 12 – amont 11 (en marche avant) par rapport à l'axe de la tuyère 2, avec un angle de pente du profil 8 à atteignant -10° à cet endroit.
De plus en marche avant, la portion de surface 40 se présente comme un décrochement de petite dimension éloignant ponctuellement la surface de la tuyère 40 des trajectoires de courants rapides s'écoulant de l'amont 11 vers l'aval 12 ce qui donne ponctuellement plus d'espace au fluide pour passer d'une vitesse nulle sur la surface interne 40 (condition de non-glissement) à une vitesse maximale imposée par le propulseur. Cette disposition selon l'invention diminue donc l'épaisseur de la couche limite et réduit les efforts de cisaillement du fluide sur la tuyère à cet endroit ce qui se traduit par un meilleur rendement.
À l'endroit de l'inflexion 7, le profil 8 de la tuyère 1 a un rayon de courbure nul, ce qui confère à l'arête 5 une géométrie vive. Cette arête vive et saillante permet un décrochage en marche arrière particulièrement efficace.
Une ligne de courant 41 décrit la trajectoire d'une particule de fluide s'écoulant en marche arrière de la poupe 10 vers la proue 3 le long de la surface interne 6 avec une grande vitesse. À l'endroit de l'inflexion 7, la ligne de courant décroche de la surface interne 6 et quitte la tuyère avec une direction substantiellement colinéaire à l'axe de la tuyère 2. Ce décrochage dynamique laisse à proximité de la portion 13 en aval (en marche arrière) de l'inflexion 7 une zone de flux perturbé 42 schématisée par une zone hachurée. Dans cette zone 42 le fluide circule à basse vitesse en tourbillons entrainés par le décrochage dynamique au niveau l'inflexion 7. La portion 13 n'est donc pas en vis-à-vis de la dépression dynamique, et ne génère donc pas de poussée parasite en marche arrière. La réalisation de tuyère 1 selon l'invention a donc une meilleure capacité à produire de la poussée en marche arrière.
La tuyère marine 1 selon l'invention génère donc une forte poussée en marche avant notamment grâce à l'effet de tuyère conventionnel connu, sans toutefois perdre de performance en marche arrière grâce à l'inflexion 7 selon l'invention, inhibant l'apparition d'une poussée parasite similaire à la poussée parasite 31.
Plus particulièrement, la tuyère 50 a un profil 51 reprenant l'essentiel des caractéristiques géométriques du célèbre profil N°37 de la série MARIN, complété par deux inflexions de surfaces internes (52, 53) selon l'invention, l'une sur la poupe 54 et l'autre sur la proue 55 de la tuyère 50.
Les surface internes 57 et 58 de la poupe 54 et de la proue 55, divergentes par rapport à l'axe de tuyère 56 selon la direction aval – amont respectivement en marche arrière et en marche avant, confèrent à la tuyère 50 une capacité à générer une poussée supplémentaire dans les deux sens de fonctionnement, par un effet de tuyère conventionnel. La surface interne 58 de la proue 55 étant plus grande que la surface interne 57 de la poupe 54, la poussée de la tuyère est plus marquée en marche avant.
Les inflexions 52 et 53 selon la présente invention permettent, respectivement en marche avant et en marche arrière, de décoller la trajectoire de fluide de la surface interne 59 par l'effet de décrochage dynamique avant que ledit fluide n'atteigne les surfaces internes fortement divergentes (respectivement 57 et 58) selon le sens du courant. Ainsi la poussée parasite des tuyères conventionnelles est inhibée dans les deux sens de fonctionnement, et la poussée de la tuyère est optimisée dans les deux sens de propulsion.
Ainsi, lorsque le propulseur fonctionne de manière à ce que la figure 5 représente l'amont de la tuyère 70 l'épaisseur de la couche limite 79 (dans laquelle les efforts de cisaillement du fluide génère des pertes de propulsion), comprise entre la surface interne 78 et la trajectoire 74 du fluide de vitesse maximale, est diminuée sur une grande portion de surface interne 78. La surface de la tuyère juste en aval (75, 76, 77) de chaque inflexion (71, 72, 73) étant en léger retrait par rapport à la trajectoire 74 du fluide de vitesse maximale, elle offre de l'espace aux contraintes de cisaillement du fluide pour passer d'une vitesse relative à la tuyère nulle sur la surface interne (75, 76, 77) (condition de non-glissement) à la vitesse relative maximale sur la trajectoire 74 du fluide. La couche limite étant ainsi amincie sur une grande surface, elle déploie moins de résistance et la performance de la tuyère est accrue. Ce phénomène est similaire à celui plus connu de l'amincissement de la couche limite de l'air autour des balles de golf lorsqu'elles sont texturées par de petites cavités sur leur surfaces.
De plus, lorsque le propulseur fonctionne de manière à ce que la figure 5 représente l'aval de la tuyère 70, les inflexions de surface (71, 72, 73) permettent autant de décrochages dynamiques du courant de fluide, protégeant ainsi les zones juste en aval de chacune d'elle de l'apparition de poussées parasites. La multiplicité des inflexions (71 ; 72 ; 73) permet de limiter leur protubérance affectant potentiellement le bénéfice de géométries conventionnelles de tuyères. Les angles d'inflexion moins marqués que sur les exemples des figures 1 et 4 créent des décrochages dynamiques de moindre ampleur, mais le risque de voir le flux recoller à la surface interne 78 est mitigé par la multiplication des décrochages. La tuyère 70 selon l'invention a donc un effet de tuyère conventionnel intact tout en conservant les accroissements de performance propres à l'invention.
À noter que les exemples illustrés par les figures ne sont pas limitatifs, et que les tuyères de propulseur présentées peuvent également s'appliquer avec d'autres fluides, notamment l'air.
Claims (7)
- Une tuyère de propulseur de fluide (1 ; 50 ; 70),caractérisée en ce qu'elle comprend surla surface int ernedesa portion amont(6 ;78) pour l'un ou l'autre sens de propulsion :
- au moins une portion de surface divergente (6 ; 13 ; 58 ; 78) par rapport à la direction aval (12) - amont (11) du courant généré par le propulseur ;
- au moins une inflexion de la surface (7 ; 53 ; 71),c'est à dire un changement brusque de l'orientation de la surface (sans qu'il n'y ait nécessairement de changement de signe dans la concavité), de manière à ce que la tuyère présente au moins une arête (5) sur la surface interne de sa portion amont (6 ; 78), et de manière à ce que la portion juste en amont (13 ; 58) de ladite inflexion (7 ; 53) ait une divergence par rapport à la direction aval (12) – amont (11) plus importante que la portion juste en aval de ladite inflexion.
- Une tuyère de propulseur de fluide (70) selon la revendication précédente,carac térisée en ce qu'elle comprend sur la surface interne de sa portion amont (78) pour l'un ou l'autre sens de propulsion, plusieurs inflexions de la surface (71 ; 72 ; 73), c'est à dire plusieurs changements brusques de l'orientation de la surface (sans qu'il n'y ait nécessairement de changement de signe dans la concavité), de manière à ce que la tuyère présente plusieurs arêtes sur la surface interne de sa portion amont(78), et de manière à ce que chaque portion juste en amont d'une inflexion donnée (71 ; 72 ; 73) ait une divergence par rapport à la direction aval-amont plus importante que la portion juste en aval de ladite inflexion.
- Une tuyère de propulseur de fluide (50 ; 70) selon l'une des revendications précédentes,caractérisée en ce qu'elle comprendégalement, sur la surface interne de sa portionavalepour le même sens de propulsion considéré :
- au moins une portion de surface divergente (57 ; 78) par rapport à la direction amont-aval du courant généré par le propulseur ;
- une ou plusieurs inflexions de la surface (52 ; 71 ; 72 ; 73), c'est à dire un ou plusieurs changements brusques de l'orientation de la surface (sans qu'il n'y ait nécessairement de changement de signe dans la concavité), de manière à ce que la tuyère présente une ou plusieurs arêtes sur la surface interne de sa portion aval, et de manière à ce que chaque portion juste en aval (57) d'une inflexion donnée (52) ait une divergence par rapport à la direction amont-aval plus importante que la portion juste en amont de ladite inflexion (52 ; 71 ; 72 ; 73).
- Une tuyère de propulseur de fluide (1 ; 50 ; 70) selon l'une des revendications précédentes,caractérisée en ce quele rayon de courbure d'au moins un profil de la tuyère (8 ; 51) chute brutalement à l'endroit d'au moins une inflexion interne amont (7 ; 52 ; 53 ; 71 ; 72 ; 73) pour l'un ou l'autre sens de propulsion, de manière continue ou au contraire de manière discontinue, jusqu'à atteindre un minimum compris limites incluses entre 0 et un vingtième (1/20ème) de la corde dudit profil, c'est à dire un vingtième (1/20ème) du plus long segment possible inscrit dans ledit profil de la tuyère (8 ; 51).
- Une tuyère de propulseur de fluide (1 ; 50) selon l'une des revendications précédentes,caractérisée en ce qu'au moins une inflexion de surface (7 ; 53) de la portion interne amont de la tuyère (6) pour l'un ou l'autre sens de propulsion est positionnée, selon l'axe de la tuyère (2 ; 56) dans la direction aval-amont, avant une portion de tuyère où la pente d'au moins un profil de ladite tuyère passant par ladite inflexion est supérieure ou égal à 60° à l'endroit de la surface interne de ladite tuyère.
- Une tuyère de propulseur de fluide (1) selon l'une des revendications précédentes,caractérisée en ce quepour au moins une inflexion (7) de la surface interne amont (6) pour l'un ou l'autre sens de propulsion, la différence de pente (A) d'au moins un profil (8) de ladite tuyère passant par ladite inflexion entre la zone juste en amont (13) et la zone juste en aval (40) de ladite inflexion est d'au moins 10°.
- Une tuyère de propulseur de fluide (1 ; 70) selon l'une des revendications précédentes,caractérisée en ce quejuste en aval d'au moins une inflexion (7 ; 71 ; 72 ; 73) de la surface interne amont (6 ; 78) pour l'un ou l'autre sens de propulsion se trouve une portion de surface interne (40 ; 75 ; 76 ; 77) pour laquelle la pente d'au moins un profil passant par ladite inflexion est négative ou nulle sur au moins une portion de la surface interne considérée.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE800160C (de) * | 1949-02-25 | 1950-09-25 | Ludwig Dipl-Ing Kort | Einrichtung zur Verbesserung der Rueckwaerts-Manoevrier- und Stopp-eigenschaften vonSchraubenschiffen mit Duesenmantel um die Schraube |
| GB1318868A (en) | 1969-06-25 | 1973-05-31 | Hydroconic Ltd | Propulsion nozzles for marine vessels |
| US20130064652A1 (en) * | 2011-09-14 | 2013-03-14 | Becker Marine Systems Gmbh & Co. Kg | Propeller nozzle |
-
2020
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20130064652A1 (en) * | 2011-09-14 | 2013-03-14 | Becker Marine Systems Gmbh & Co. Kg | Propeller nozzle |
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