Un safran est un dispositif essentiel pour diriger un navire. Son efficacité dépend fortement de son profil et de son interaction avec l'eau, un domaine étudié par l'hydrodynamique. Comprendre ces principes est crucial pour optimiser la manœuvrabilité et la performance des bateaux.
Hydrodynamique
Science qui étudie le mouvement des fluides (comme l'eau) et les forces qu'ils exercent sur les corps qui s'y déplacent.
Portance
Force perpendiculaire à la direction de l'écoulement de l'eau, générée par le safran, qui permet de faire tourner le navire.
Traînée
Force parallèle à la direction de l'écoulement de l'eau, qui s'oppose au mouvement du navire et réduit sa vitesse.
Moment de redressement
Force qui tend à ramener le safran dans l'axe du navire, s'opposant à son braquage et nécessitant un effort pour le maintenir en position.
Cavitation
Phénomène de formation et d'éclatement rapide de bulles de vapeur d'eau, causé par des variations de pression, qui peut endommager le safran et provoquer des vibrations.
Principes fondamentaux de l'hydrodynamique des safrans
L'efficacité d'un safran, c'est-à-dire sa capacité à générer de la portance pour diriger le navire tout en minimisant la traînée, dépend principalement de la forme de son profil. Les profils « épais » sont conçus pour favoriser des écoulements laminaires (réguliers) et augmenter la portance, ce qui est avantageux pour la manœuvre. Cependant, ils peuvent aussi générer plus de traînée lorsque le safran est dans l'axe. Le positionnement du safran juste derrière l'hélice est également crucial, car il bénéficie du « courant de décharge » (vortex) de l'hélice, augmentant ainsi son efficacité.
Les différents profils de safran
Il existe plusieurs types de profils de safran, chacun ayant des caractéristiques spécifiques pour optimiser la portance et réduire les effets indésirables comme la cavitation et les vibrations. Les principaux types sont :
- Profils convexes (NACA, HSVA) : Ces profils, souvent utilisés, sont caractérisés par une surface courbée vers l'extérieur. Ils sont conçus pour générer une bonne portance.
- Profils concaves (Schilling) : Ces profils, dits Schilling, ont une forme creuse. Ils sont étudiés pour augmenter la portance et concentrer les efforts près de la mèche du safran, réduisant ainsi la cavitation et les vibrations, et favorisant l'économie d'énergie. Le profil Schilling se distingue par un bord d'attaque très large et arrondi, et un bord de fuite fin.
Le moment de redressement
Lorsque le safran est braqué, l'écoulement de l'eau génère une force qui tend à le ramener dans l'axe du navire. C'est le moment de redressement (Mr). Ce moment est le produit de la force (F) exercée sur le safran par la distance (d) entre le bord d'attaque et le point d'application de cette force. Il représente l'effort à vaincre pour maintenir le safran dans l'angle souhaité. Pour réduire ces efforts sur la mèche du safran, on utilise des safrans « compensés » où une partie de la surface du safran est placée en avant de l'axe de rotation (la mèche). Cela réduit le bras de levier effectif et donc le moment de redressement.
Technologies avancées de safrans
Pour améliorer la manœuvrabilité et l'efficacité, plusieurs systèmes ont été développés :
- Gouvernail à aileron Becker : Composé d'un safran principal compensé et d'un petit aileron articulé à son bord de fuite. L'aileron augmente la portance sans augmenter la traînée de manière significative, permettant des angles de barre plus importants et une meilleure manœuvrabilité, notamment à faible vitesse.
- Tuyère orientable Kort : Une tuyère (tube) entoure l'hélice et peut s'orienter. Elle canalise les filets d'eau, améliorant le rendement de l'hélice et agissant comme un safran. Efficace à faible vitesse, mais peut augmenter la traînée à haute vitesse.
- Safrans contrôleurs de flux (Vectwin Schilling) : Deux safrans dissymétriques indépendants, placés derrière l'hélice, qui peuvent s'orienter sur une grande amplitude. Ce système permet de déplacer le navire dans toutes les directions, même à l'arrêt, offrant une grande souplesse de manœuvre.
- Safran à rotor Jastram : Un rotor est ajouté sur le bord d'attaque du safran. Il tourne pour accélérer les filets d'eau sur l'extrados, créant une dissymétrie de pression qui augmente la portance et retarde le décrochage, même à des angles de barre élevés.
Problèmes et solutions : la cavitation
La cavitation est un problème majeur pour les safrans. Elle se produit lorsque la vitesse de l'eau augmente sur les parois du safran, créant des zones de basse pression où des bulles de vapeur d'eau se forment et éclatent violemment. Cet éclatement provoque des chocs mécaniques qui érodent l'acier du safran et génèrent des vibrations. La cavitation est favorisée par l'inclinaison constante et variable du safran.
Pour minimiser les effets de la cavitation, des profils spécifiques ont été développés :
- Safran Twisted Leading Edge profile : Ce profil asymétrique est conçu pour compenser la dissymétrie de pression causée par le vortex de l'hélice, favorisant un écoulement laminaire et réduisant la cavitation.
- Gouvernail profilé Promas : Il intègre un bulbe profilé sur le safran, dans le prolongement de l'hélice carénée. Cet ensemble cohérent améliore l'écoulement de l'eau, augmente la portance et réduit les vibrations.
A retenir :
Synthèse des Principes Hydrodynamiques et Profils de Safran
- L'efficacité d'un safran dépend de son profil et de sa position derrière l'hélice pour maximiser la portance et minimiser la traînée.
- Les profils de safran (NACA, HSVA, Schilling) sont conçus pour optimiser les forces hydrodynamiques et réduire les phénomènes indésirables.
- Le moment de redressement est l'effort qui tend à ramener le safran dans l'axe ; il est réduit par la compensation du safran.
- Des technologies comme les gouvernails à aileron, les tuyères orientables et les safrans contrôleurs de flux améliorent la manœuvrabilité et l'efficacité.
- La cavitation, causée par la formation de bulles de vapeur d'eau, est un problème d'érosion et de vibrations, atténué par des profils spécifiques comme le Twisted Leading Edge et le Promas.