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Patent Searching and Data


Title:
MARINE ENGINE ASSEMBLY INCLUDING A POD MOUNTABLE UNDER A SHIP'S HULL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/110840
Kind Code:
A1
Abstract:
An engine assembly (1, 1', 1 ) including at least one pod (2) connected to a supporting leg (3, 3', 3 ), a propeller (4) with at least two blades (14) located at the back of the pod, and an arrangement of at least three flow-directing fins (50-55, 3'A) attached to the pod (2). The fin arrangement forms a ring (5) substantially perpendicular to the longitudinal axis (X) of the pod (2), which ring is within an area (Zx) located between the central portion of the supporting leg (3, 3', 3 ) and the propeller. The assembly further includes a nozzle (6) around all or part of the propeller and said ring (5). The blades (14) each have one end of which one edge (7) is flush with the inner wall of the nozzle (6) so that the propeller (4) acts as the impeller of an axial-flow pump.

Inventors:
GAUDIN CHRISTIAN (FR)
Application Number:
PCT/FR2005/050280
Publication Date:
November 24, 2005
Filing Date:
April 26, 2005
Export Citation:
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Assignee:
ALSTOM (FR)
GAUDIN CHRISTIAN (FR)
International Classes:
B63H5/14; B63H5/125; (IPC1-7): B63H5/14
Domestic Patent References:
WO1999014113A11999-03-25
Foreign References:
US6062925A2000-05-16
US5597245A1997-01-28
US5722866A1998-03-03
DE10158320A12003-06-18
Other References:
See references of EP 1745389A1
Attorney, Agent or Firm:
LYNDE & ASSOCIES (Conseils en Propriété industrielle 5 rue Murillo, Paris, FR)
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Claims:
l'REVENDICATIONS
1. Ensemble de propulsion (1, , 1") pour navire, comprenant : au moins une nacelle (2) mécaniquement reliée à une jambe support (3, 3', 3") prévue pour être montée sous la carène (10) d'un navire, une hélice (4) située à l'arrière de la nacelle, comportant au moins deux pales (14) et solidaire en rotation d'un arbre (11) de transmission relié à un moteur (8), un arrangement d'au moins trois ailerons orienteurs de flux (50 à 55, 3 'A) qui sont fixés à la nacelle (2), ledit arrangement formant une couronne (5) sensiblement perpendiculaire à l'axe (X) longitudinal de la nacelle (2), caractérisé en ce qu'il comprend une tuyère (6) qui entoure au moins en partie l'hélice (4) et ladite couronne (5) d'ailerons, en ce que lesdites pales (14) présentent chacune une extrémité avec un bord (7) affleurant à la paroi intérieure de la tuyère (6) pour que l'hélice (4) constitue le rotor d'une pompe hélice, et en ce que ladite couronne (5) est comprise dans une zone (Zx) située entre la partie centrale de ladite jambe support (3, 3', 3") et l'hélice.
2. Ensemble de propulsion selon la revendication 1, dans lequel ladite tuyère (6) est fixée à la nacelle (2) par l'intermédiaire d'au moins cinq ailerons (50 à 55, 3'A), et ladite hélice (4) comporte au moins trois pales (14) .
3. Ensemble de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque aileron (50 à 55, 3 'A) de ladite couronne (5) présente une surface au moins approximativement plane qui possède une orientation déterminée (cto,..., as, a') par rapport à l'axe (X) de ladite nacelle (2). Al Ensemble de propulsion selon la revendication 3, dans lequel le profil d'entrée de ladite tuyère (6) et l'orientation (do,..., as, a') de chaque aileron sont adaptés à la carte de sillage du navire.
4. Ensemble de propulsion selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'orientation déterminée (cto,..., as, α') de chaque aileron est comprise entre 3° et 15°.
5. Ensemble de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le sens de rotation de l'hélice (4) est inversable pour produire une poussée de freinage du navire.
6. 11 Ensemble de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pales (14) du rotor de la pompe hélice sont chacune à génératrice droite.
7. Ensemble de propulsion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'extrémité arrière (3 'A) de ladite jambe support (3') constitue un desdits ailerons de ladite couronne (5). l' 91 Navire équipé d'au moins un ensemble de propulsion (1, V, 1") selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la jambe support (3, 3', 3") dudit ensemble est prévue pour être montée fixe sous la carène (10) du navire.
8. Navire selon la revendication précédente, équipé d'au moins un ensemble de propulsion (1, , 1") selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la jambe support (3, 3', 3") dudit ensemble est prévue pour être montée pivotante sous la carène (10) du navire pour que ledit ensemble de propulsion soit de type POD.
9. Navire selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la distance (Dy) entre ladite tuyère (6) et la carène (10) du navire est définie pour que l'hélice (4) travaille de manière optimale dans le sillage du navire.
Description:
Ensemble de propulsion pour navire, comprenant une nacelle destinée à une installation sous la carène du navire. L'invention se rapporte à un ensemble de propulsion pour navire, comprenant : - une nacelle mécaniquement reliée à une jambe support prévue pour être montée sous la carène d'un navire, - une hélice située à l'arrière de la nacelle, comportant au moins deux pales et solidaire en rotation d'un arbre de transmission relié à un moteur, - un arrangement d'au moins trois ailerons orienteurs de flux qui sont fixés à la nacelle, ledit arrangement formant une couronne sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal de la nacelle. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un ensemble de propulsion de type POD (propulsion oriented drive) compact, dans lequel la jambe support est prévue pour être montée pivotante sous la carène du navire. Les parties appelées respectivement avant et arrière de la nacelle sont définies par rapport à la proue et la poupe du navire, c'est à dire que la partie avant de la nacelle pointe vers la proue du navire au moins lorsque l'ensemble de propulsion assure la marche avant du navire. Dans la plupart des ensembles de propulsion de type POD, comme par exemple celui décrit dans le document de brevet WO9914113, l'hélice est située à l'avant de la nacelle, contrairement à un ensemble de propulsion selon l'invention.

Généralement, les ensembles conventionnels de propulsion de type POD pour navire ne sont pas destinés à travailler dans le sillage du navire et présentent au contraire une jambe * support suffisamment haute de façon à ce que l'hélice soit située hors de la couche limite du sillage. Ces ensembles conventionnels de propulsion de type POD sont donc généralement encombrants au moins du fait de l'espace important nécessaire entre la coque du navire et l'hélice. Par ailleurs, de tels ensembles de propulsion sont généralement sujets à des phénomènes de vibration et de cavitation, la cavitation étant particulièrement présente lorsque l'ensemble de propulsion est en giration. La cavitation est un phénomène qui libère des bulles de vapeur d'eau crépitantes à l'extrémité des pales d'une hélice. En hydrodynamique navale, la cavitation altère les performances des systèmes propulsifs, induit des vibrations, provoque l'érosion des parties tournantes et rayonne du bruit qui pénalise la discrétion acoustique d'un bateau

II est connu de certaines réalisations de l'état de la technique, et en particulier du document de brevet EP 1270404, un ensemble de propulsion tel que défini ci-dessus dans lequel une hélice d'un propulseur auxiliaire de type POD compact est située à l'arrière de la nacelle. Cette hélice est en outre destinée à travailler dans le sillage d'une autre hélice dite hélice principale qui est montée sur un arbre fixe disposé sous la carène du navire. L'hélice principale est prévue pour fournir la plus grande partie de la puissance de propulsion, par exemple grâce à un moteur diesel installé dans le navire, tandis que l'hélice auxiliaire du propulseur POD est prévue pour fournir soit une puissance propulsive additionnelle soit une puissance directive si ce propulseur est pivoté pour la gouverne du navire. Selon les modes de réalisation avec un arrangement d'ailerons autour de la nacelle, cet arrangement est situé soit à l'avant de la nacelle, soit plus en arrière mais seulement jusqu'au niveau de la partie centrale de la jambe support. En effet, la fonction de ces ailerons est d'améliorer le rendement propulsif en récupérant la composante axiale de l'énergie de rotation du flux tourbillonnant créé par l'hélice principale, et ils doivent donc être relativement proches de l'hélice principale. Il peut être prévu une petite inclinaison des ailerons par rapport à l'axe de la nacelle afin d'augmenter la récupération d'énergie.

Bien qu'un tel propulseur de type POD soit particulièrement compact, l'ensemble global de propulsion incluant l'hélice principale reste encombrant et nécessite un tirant d'eau relativement important sous la carène de même que pour les ensembles de propulsion de type POD conventionnels.

L'invention vise à permettre de diminuer le tirant d'eau sous la carène d'un navire possédant au moins un propulseur avec une hélice montée sur une nacelle, par rapport aux solutions conventionnelles. Pour ceci, l'invention vise à procurer un ensemble de propulsion qui puisse être rapproché de la carène, et plus particulièrement un ensemble de type POD compact. Afin d'améliorer la compacité verticale de l'ensemble de propulsion, l'invention vise à diminuer la hauteur de la jambe support de la nacelle pour rapprocher l'hélice autant que possible de la carène, tout en évitant les phénomènes de cavitation. Enfin, l'invention vise aussi à augmenter le rendement de l'ensemble de propulsion et à diminuer les coûts au moins de la partie motrice de cet ensemble.

Afin de pouvoir réaliser ces objectifs, l'invention propose un ensemble compact de propulsion qui fonctionne sur le principe d'une pompe hélice, c'est à dire qui assure la propulsion du navire grâce au déplacement forcé de l'eau dans la tuyère. La technologie de pompe hélice est inspirée des réacteurs d'avion, notamment en ce qui concerne le contrôle du flux entrant, et utilise un système jouant sur le reflux de l'eau pour éviter les phénomènes de cavitation. Une pompe hélice travaille en débit de liquide, alors qu'une hélice classique travaille en poussée de liquide. H est à noter qu'en tant que tel, le principe de propulsion par pompe hélice est appliqué depuis longtemps à des systèmes de propulsion de sous-marins, et que le positionnement d'une pompe hélice dans le sillage d'un sous-marin permet d'obtenir un bon rendement tout en réduisant les perturbations acoustiques. Il est en outre connu, notamment du document de brevet US 4 600 394, des applications de la technologie de pompe hélice à des moteurs hors-bord et in-bord pour embarcations.

Il est entendu qu'il ne suffit pas d'entourer une hélice classique par un carénage en forme de tuyère pour réaliser une pompe hélice. H est bien connu de l'état de la technique, comme par exemple du document de brevet US 6 062 925, que la force de propulsion d'une hélice montée sur une nacelle peut être accrue à basse vitesse par l'installation d'un carénage en forme de tuyère autour de l'hélice. Une telle installation ne permet pas pour autant de réaliser une pompe hélice, puisque notamment la forme des pales dans une pompe hélice est spécifique à cette technologie et diffère notablement des formes utilisées pour des hélices classiques.

Il est enfin connu du document de brevet DE 101 58320 un ensemble de propulsion de type POD pour navire, mettant en œuvre une pompe hélice dont l'hélice rotor est arrangée autour du stator du moteur électrique de la pompe. Le moteur est ainsi complètement entouré par la tuyère de la pompe, tuyère qui est attachée à la jambe support de l'ensemble POD. Avec une telle architecture, le diamètre de l'hélice rotor augmente nécessairement avec la taille du moteur et donc avec sa puissance. Pour un moteur électrique de forte puissance (par exemple de l'ordre de 10 MW), le dimensionnement qui en résulte pour l'hélice rotor implique un diamètre relativement élevé pour la tuyère afin de ménager une section suffisante pour le débit de l'eau dans la pompe.

Il résulte de cette architecture une traînée hydrodynamique relativement élevée pour l'ensemble de propulsion et donc un rendement propulsif très moyen, ce qui constitue un inconvénient majeur. D'autre part, le refroidissement du moteur électrique, en particulier pour un moteur de forte puissance, est certainement plus difficile à réaliser que dans le cas d'un ensemble POD conventionnel pour lequel le moteur est installé dans une nacelle à distance de l'hélice. En effet, dans un ensemble POD conventionnel, il est connu de refroidir le moteur par une circulation d'air forcé amené dans la nacelle depuis le navire via l'intérieur de la jambe support.

Ainsi, bien qu'un tel ensemble POD à pompe hélice permette de réaliser certains objectifs visés dans la présente invention comme notamment la suppression des phénomènes de cavitation, il ne permet pas d'obtenir un ensemble de propulsion et en particulier un ensemble de forte puissance qui soit relativement compact en diamètre et qui possède un rendement propulsif au moins égal à celui d'un ensemble POD conventionnel de même puissance. La présente invention vise aussi à remédier aux inconvénients d'une telle architecture d'ensemble POD à pompe hélice.

A cet effet, l'invention a pour objet un ensemble de propulsion tel que défini en préambule, caractérisé en ce qu'il comprend une tuyère qui entoure au moins en partie l'hélice et ladite couronne d'ailerons, en ce que les pales présentent chacune une extrémité avec un bord affleurant à la paroi intérieure de la tuyère pour que l'hélice constitue le rotor d'une pompe hélice, et en ce que la couronne d'ailerons est comprise dans une zone située entre la partie centrale de ladite jambe support et l'hélice.

L'arrangement formé par les ailerons et la tuyère constitue le stator de la pompe hélice. Une pompe hélice tourne généralement 50 à 100% plus vite qu'une hélice classique à puissance équivalente, ce qui permet de réduire de 50 à 100% le couple du moteur d'entraînement de l'hélice et autorise ainsi une diminution de 20 à 40% du diamètre du moteur (pour un moteur électrique) par rapport à un ensemble POD conventionnel. Dans un ensemble de propulsion selon l'invention, la diminution du diamètre du moteur permet de diminuer le diamètre de la nacelle et la masse de l'ensemble pour les réalisations où le moteur est logé dans la nacelle. La diminution du diamètre de la nacelle permet de diminuer la traînée hydrodynamique de l'ensemble de propulsion et donc d'augmenter le rendement propulsif.

D'autre part, le moteur et l'essentiel du volume de la nacelle sont situés en amont de la pompe hélice relativement au flux d'eau. Ceci permet à l'hélice d'avoir un moyeu relativement compact, et une section suffisante peut ainsi être obtenue pour l'hélice de la pompe sans qu'il soit nécessaire de compromettre l'écoulement hydrodynamique en augmentant exagérément le diamètre de la tuyère. Typiquement, avec un moteur électrique d'une puissance supérieure à 10MW logé dans la nacelle, un ensemble de propulsion selon l'invention peut être réalisé avec une tuyère dont le diamètre interne, c'est à dire sensiblement le diamètre de l'hélice, est de l'ordre de deux fois le diamètre de la nacelle. Ceci permet d'avoir une section suffisante de l'hélice pour assurer un bon débit d'eau dans la pompe tout en ayant une tramée hydrodynamique relativement faible pour l'ensemble de propulsion comparativement au dispositif du brevet DE 101 58320.

Enfin, la possibilité pour la pompe hélice de travailler dans le sillage du navire sans phénomène de cavitation permet de diminuer la hauteur de la jambe support, ce qui contribue aussi à rendre l'ensemble plus compact. En effet, la pompe hélice peut être rapprochée de la carène du navire car elle ne transmet pas de pulsations de pression génératrices de vibration à bord du navire. Ceci s'explique tout d'abord du fait que le flux d'eau est organisé par le stator de la pompe hélice, ce qui permet que la vitesse d'arrivée de l'eau au niveau du rotor soit homogénéisée dans la chambre qui sépare le rotor du stator. Les pulsations rémanentes de pression générées par la pompe hélice sont par conséquent relativement faibles. D'autre part, ces pulsations rémanentes sont atténuées au niveau de la tuyère de la pompe, et leur répercussion sur la carène du navire est suffisamment faible pour ne pas générer de vibration à bord du navire.

Le tirant d'eau sous la carène peut alors être prévu plus faible qu'avec un ensemble POD conventionnel, ce qui permet plus de flexibilité dans le dessin des formes arrières du navire. D'autre part, le fait de placer la pompe hélice à l'intérieur de la couche limite du sillage du navire offre l'avantage d'augmenter le rendement propulsif par rapport à une disposition hors de cette couche limite. En effet, à l'intérieur de cette couche limite, la vitesse de l'eau à l'entrée de la pompe hélice est diminuée par rapport à une disposition de la pompe hors de cette couche, ce qui augmente le différentiel entre les vitesses respectivement à la sortie de la tuyère et à l'entrée de la pompe et augmente ainsi la poussée produite par le rotor de la pompe. Il faut savoir que l'épaisseur de la couche limite augmente avec la vitesse et la taille du navire. A la vitesse de croisière du navire, le sillage est plus important, et le rendement propulsif est donc augmenté par rapport à des vitesses inférieures.

Dans un ensemble compact de propulsion selon l'invention, les ailerons constituent des orienteurs de flux pour la pompe hélice. L'arrangement d'ailerons en couronne est compris dans une zone située longitudinalement derrière la partie centrale de la jambe support, afin d'être suffisamment proche de l'hélice. Dans la présente, on définit la partie centrale d'une jambe support comme la partie comprenant une cavité communicante avec l'intérieur de la carène du navire.

Un ensemble de propulsion selon l'invention est particulièrement destiné à un navire dans lequel la jambe support de la nacelle est prévue pour être montée pivotante sous la carène du navire, afin que l'ensemble de propulsion soit de type POD. Dans un navire équipé de plusieurs ensembles de propulsion selon l'invention, il est possible d'avoir au moins un ensemble de type POD pivotant sur 360° et situé à l'arrière du navire dans son sillage, afin d'assurer la gouverne du navire et le cas échéant une poussée de freinage sans inverser le sens de rotation du rotor de cet ensemble.

L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en rapport avec les figures ci dessous.

La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un ensemble de propulsion selon l'invention et de type POD, selon un plan vertical contenant l'axe longitudinal de la nacelle.

La figure 2 représente schématiquement une vue en perspective de l'ensemble de propulsion de la figure 1.

La figure 3 représente schématiquement une vue de dessus d'un autre ensemble de propulsion selon l'invention, dans lequel l'extrémité arrière de la jambe support constitue un aileron orienteur de flux.

La figure 4 représente schématiquement une vue de face d'un autre ensemble de propulsion selon l'invention et de type POD, comprenant deux propulseurs identiques disposés côte à côte.

Sur la figure 1, l'ensemble de propulsion 1 selon l'invention est vu latéralement en coupe longitudinale selon le plan formé par l'axe longitudinal X de la nacelle 2 et l'axe Y de pivotement de l'ensemble 1. Cet ensemble 1 est installé sous la carène 10 d'un navire, la nacelle 2 étant classiquement reliée à une jambe support 3 montée pivotante sur un palier étanche 9 traversant la coque du navire. Dans le mode de réalisation préféré en rapport avec la figure, la nacelle 2 est dimensionnée pour contenir un moteur électrique 8 dont le rotor (non représenté) est solidaire en rotation de l'arbre 11 d'entraînement de l'hélice 4. L'arbre 11 est maintenu selon l'axe X grâce à des paliers 12. De façon connue, la nacelle ainsi que la jambe support 3 sont profilées de façon à optimiser l'écoulement hydrodynamique du flux d'eau représenté par les flèches F.

Comme connu de l'état de la technique, un autre mode de réalisation peut aussi être envisagé dans lequel le moteur est disposé à l'intérieur de la coque du navire, un système de transmission mécanique à renvoi d'angle étant alors prévu pour transmettre la rotation du moteur à l'arbre d'entraînement de l'hélice. Par ailleurs, dans un ensemble de propulsion selon l'invention, il n'est pas indispensable que la jambe qui supporte la nacelle soit montée pivotante par rapport à la carène du navire. Dans le cas d'une réalisation avec une jambe support fixe, il est envisageable d'avoir au moins une autre jambe de liaison fixe pour relier directement la tuyère à la carène et renforcer la liaison mécanique entre l'ensemble de propulsion et la carène. Cette autre jambe peut être de faible dimension, puisque la tuyère est préférablement très proche de la carène. L'orientation du navire peut alors être assurée par des moyens directionnels spécifiques dissociés de l'ensemble de propulsion, ou encore selon le principe montré dans le brevet EP 1 270 404 qui met en œuvre un ensemble de propulsion auxiliaire orientable de type POD compact.

Dans le mode de réalisation en rapport avec la figure 1, le palier étanche 9 estprévu pour permettre à la jambe support 3 de pivoter afin d'assurer la fonction de gouverne du navire. Le pivotement de la jambe support 3 peut être prévu notamment jusqu'à 180° par rapport à la position de propulsion normale représentée sur la figure,pour arriver à une position de propulsion en mode « freinage » avec une poussée qui s'oppose à l'avancement du navire. Toutefois, un tel mode « freinage » peut aussi être obtenu dans le cas d'une jambe support 3 non pivotante ou peu pivotante, par une poussée substantielle de marche arrière en inversant le sens de rotation de l'hélice 4.. Pour réaliser la pompe hélice, l'ensemble de propulsion comprend un arrangement d'ailerons orienteurs de flux tels que 52 et 53 qui sont fixés à la nacelle 2, cet arrangement formant une couronne 5 sensiblement perpendiculaire à l'axe X de la nacelle et comprise dans une zone Zx située longitudinalement entre la jambe support 3 et l'hélice 4. De manière générale, dans un ensemble de propulsion selon l'invention, cette zone Zx se situe entre la partie centrale de la jambe support et l'hélice, comme expliqué plus loin en référence à la figure 3. Préférablement, la couronne 5 est formée d'au moins cinq ailerons, et l'hélice 4 comporte au moins trois pales 14. Ces ailerons orienteurs de flux doivent être disposés suffisamment proches de l'hélice pour orienter dans des directions appropriées les lignes de flux d'eau arrivant sur l'hélice. Us ne sont pas nécessairement identiques. D'autre part, une tuyère 6 entoure l'hélice 4 et la couronne 5 d'ailerons. Comme décrit plus loin en rapport avec la figure 2, le profil d'entrée de la tuyère 6 ainsi que l'orientation de chaque aileron sont de préférence adaptés à la carte de sillage du navire à sa vitesse de croisière. Il est à noter que la tuyère participe à la poussée totale par sa portance propre. L'hélice comprend un moyeu 13 solidaire en rotation de l'arbre 11, moyeu sur lequel sont montées les pales 14. Chaque pale 14 présente une extrémité avec un bord 7 affleurant à la paroi intérieure de la tuyère. Ainsi, la couronne 5 et la tuyère 6 constituent le stator de la pompe hélice, l'hélice 4 constituant quant à elle le rotor de la pompe.

Avantageusement, la tuyère présente une section qui diminue progressivement vers l'arrière et présente des formes de convergence ou de divergence adaptées en fonction de la vitesse de croisière prévue pour le navire, afin d'augmenter le rendement propulsif. D'autre part, de façon classique, les ailerons présentent un profil incliné pour diminuer leur résistance hydrodynamique. De ce fait, comme visible sur la figure 1, il n'est pas nécessaire que la partie avant de la tuyère se prolonge sur la totalité de la zone longitudinale Zx de positionnement de la couronne 5. La limite avant de cette zone est représentée par un trait en pointillés à la même abscisse selon l'axe X que l'extrémité avant des ailerons, π est d'ailleurs tout à fait envisageable d'utiliser des ailerons encore plus profilés et d'augmenter ainsi substantiellement la profondeur longitudinale de la zone Zx de positionnement de la couronne 5 d'ailerons.

Au moins trois ailerons orienteurs de flux, et préférablement tous les ailerons de la couronne 5, sont utilisés pour assurer une bonne fixation de la tuyère 6 à la nacelle 2. L'axe de symétrie de la tuyère coïncide sensiblement avec l'axe longitudinal X de la nacelle, ce qui permet d'avoir un faible jeu entre les bords 7 des extrémités des pales 14 de l'hélice et la paroi intérieure de la tuyère. Dans le mode de réalisation en rapport avec la figure 1, les pales 14 sont toutes identiques, et le bord 7 d'extrémité d'une pale affleurant à la tuyère est délimité par deux angles vifs de façon à maximiser la longueur curviligne affleurante à la tuyère par rapport à la longueur totale du pourtour de la pale. Il est en effet connu qu'une telle forme anguleuse des bords d'extrémités des pales est avantageuse pour la technologie des pompes hélices. Le rotor de pompe constitué par l'hélice 4 comprend au moins deux pales 14. Des simulations par calcul montrent qu'il n'est pas intéressant d'avoir un rotor formé par une seule pale vrillée sur le principe de la réalisation divulguée par le brevet US 4 600 394.

Avantageusement, la distance Dy entre la tuyère 6 de la pompe hélice et la carène 10 du navire est définie pour que l'hélice 4 travaille de manière optimale dans le sillage du navire. En effet, il est avantageux de disposer l'ensemble de propulsion dans le sillage du navire tout en évitant de préférence le sillage dit visqueux qui présente une réduction trop importante de la vitesse d'écoulement de l'eau par rapport au navire. De manière avantageuse, on préférera un positionnement dans la partie du sillage qui présente une réduction moyenne de la vitesse de l'écoulement de l'ordre de 15%. Outre l'avantage de permettre une réduction de la hauteur de la jambe support 3, un tel positionnement de la pompe hélice permet ainsi d'augmenter de façon optimale le rendement propulsif par rapport à un positionnement hors de la couche limite du sillage. Sur la figure 2, l'ensemble de propulsion 1 selon l'invention est vu en perspective pour mieux visualiser les structures respectives de la couronne 5 d'ailerons orienteurs de flux et de l'hélice 4. La couronne 5 comprend ici six ailerons 50 à 55 pour orienter le flux d'eau entrant dans la pompe hélice de façon à donner à ce flux un couple de rotation sensiblement égal à celui du rotor mais tournant dans le sens inverse, le flux d'eau étant alors dépourvu d'énergie de rotation à la sortie du rotor ce qui a pour avantage d'augmenter le rendement de la pompe hélice. L'aileron 55 est caché par l'arrière de la nacelle 2 sur cette représentation.

Chaque aileron présente une surface au moins approximativement plane qui possède une orientation déterminée par rapport à l'axe X de la nacelle. L'angle d'orientation αn d'un aileron est défini comme l'angle formé entre le plan de l'aileron et l'axe X. Chaque aileron, tel que 52 ou 54, est fixé à l'arrière de la nacelle avec un angle d'orientation qui lui est propre, tel que Cfe ou 04. De préférence, chaque angle αn est déterminé à partir de la carte de sillage du navire à sa vitesse de croisière, ainsi chaque angle αn est adapté en fonction du flux d'eau entrant de façon à orienter l'arrivée d'eau au rotor et éviter les phénomènes de cavitation. L'influence de la jambe support 3 sur les filets d'eau entrant dans la tuyère est prise en compte, en particulier pour l'angle d'orientation (12 de l'aileron 52 qui est situé derrière la jambe 3. Le profil d'entrée de la tuyère est aussi préférablement déterminé à partir de la carte de sillage du navire à sa vitesse de croisière.

De plus, en tournant plus vite qu'une hélice classique, le rotor de l'ensemble de propulsion selon l'invention développe un couple réduit, et ainsi la déviation de l'écoulement dans le stator doit rester modérée pour être en accord avec ce COUpIe4 II s'ensuit que les angles d'orientations des ailerons sont relativement faibles, et donc qu'un passage d'eau en sens inverse est possible. Chaque angle d'orientation αn peut être déterminé entre par exemple 3° et 15°, ce qui permet d'obtenir une poussée suffisante de marche arrière en inversant le sens de rotation de l'hélice 4, l'écoulement d'eau produit par l'hélice n'étant alors pas notablement perturbé par les ailerons. Par ailleurs, un rotor dont les pales sont chacune à génératrice droite peut accepter le plein couple nominal en rotation inversée du rotor, contrairement à une hélice classique de type « skew » telle que décrite par exemple dans le document de brevet US 6 371 726, ceci grâce à la bonne répartition des contraintes mécaniques sur la surface des pales qui a pour effet d'améliorer la poussée de freinage. Il est entendu qu'un objet à génératrice droite est formé par la translation d'un contour en deux dimensions selon une droite qui coupe le plan du contour.

Les pales 14 de l'hélice 4 sont représentées avec un léger vrillage visible sur la figure et sont donc à génératrices légèrement curvilignes, mais il est entendu que des pales à génératrices rigoureusement droites peuvent être préférées pour améliorer encore la poussée de freinage . D est en outre visible que le bord 7 d'extrémité d'une pale 14 affleurant à la paroi intérieure de la tuyère 6 est curviligne. Par ailleurs, de même que sur la figure 1, il est visible que la forme de la tuyère est légèrement convergente vers l'arrière. On peut enfin noter que l'axe Y de pivotement de l'ensemble de propulsion 1 ne correspond pas nécessairement l'axe de symétrie de la jambe support 3, et peut par exemple être décalé vers l'avant comme dans la position représentée par l'axe Y' sur la figure.

Les simulations par calcul effectuées par la demanderesse ont permis d'établir une comparaison entre d'un côté un ensemble de propulsion de type POD conventionnel avec une hélice située à l'avant de la nacelle et d'un autre côté un ensemble de propulsion selon l'invention et qui est aussi de type POD avec un moteur électrique logé dans la nacelle. A titre d'exemple, un tel ensemble de propulsion selon l'invention possède une nacelle 2 d'un diamètre de l'ordre de deux mètres et une tuyère 6 d'environ quatre mètres de diamètre, pour une puissance moteur de l'ordre de 13 MW. La couronne 5 comporte sept ailerons orienteurs, et l'hélice rotor 4 comporte cinq pales 14. Le nombre de tours par minutes du rotor est supérieur à deux cent. A puissance moteur égale, il s'avère que l'invention permet de diminuer la masse du moteur de plus de 50%, et de diminuer de plus de 25% le diamètre de l'hélice ainsi que le diamètre de la nacelle. Par ailleurs, la diminution obtenue pour le tirant d'eau est de l'ordre de 3 mètres, et le rendement de l'ensemble POD à pompe hélice est supérieur de plus de 5% au rendement de l'ensemble POD conventionnel, π apparaît donc que globalement, les avantages procurés par l'invention sur l'état de la technique connu des ensembles POD conventionnels et des propulseurs à pompe hélice pour navires sont considérables.

Sur la figure 3, un autre ensemble de propulsion 1 ' selon l'invention est représenté schématiquement vu de dessus. La nacelle 2 et la pompe hélice sont représentées en coupe selon un plan horizontal contenant l'axe longitudinal X de la nacelle, tandis que la jambe support 3' est représentée en coupe selon un autre plan horizontal situé au dessus de la nacelle. La partie d'extrémité arrière 3 'A de la jambe support 3' constitue un aileron orienteur de flux, cette partie présentant une surface sensiblement plane qui possède une orientation déterminée α' par rapport à l'axe X de la nacelle. La couronne 5 comporte au moins deux ailerons orienteurs semblables aux ailerons 50 à 55 en rapport avec les figures 1 et 2, et comporte donc un aileron particulier constitué par la partie 3 'A.

De manière générale, dans un ensemble de propulsion selon l'invention, la zone Zx dans laquelle est comprise la couronne d'ailerons perpendiculairement à l'axe longitudinal X de la nacelle se situe entre la partie centrale de la jambe support et l'hélice, ladite partie centrale comprenant une cavité ménagée dans la jambe et qui communique avec l'intérieur du navire. Dans le mode de réalisation correspondant à la figure 3, la partie centrale C de la jambe support 3' se situe sensiblement au dessus du moteur 8 installé dans la nacelle, et une circulation d'air forcé entre la nacelle et l'intérieur du navire est prévue dans cette partie centrale avec un débit suffisant pour le refroidissement du moteur. l'

La partie d'extrémité arrière 3 'A de la jambe support peut être agencée pour remonter jusqu'à être affleurante à la coque du navire en dépassant le haut de la tuyère 6, un renfoncement devant alors être prévu dans cette partie 3' A afin de permettre l'insertion du haut de la tuyère avec son maintien par la partie 3 'A. Ce mode de réalisation permet dans une certaine mesure de diminuer la traînée hydrodynamique de l'ensemble de propulsion par rapport à la réalisation visible sur les figures 1 et 2.

Sur la figure 4, un autre ensemble de propulsion 1" selon l'invention est représenté très schématiquement vu de fece en regardant vers l'arrière du navire. Cet ensemble est de type POD, et comprend deux propulseurs identiques ou quasi identiques disposés côte à côte. Chaque propulseur est ici identique à celui de l'ensemble de propulsion 1 ou décrit précédemment. Les deux propulseurs sont mécaniquement reliés à une seule jambe support 3" pivotante montée sous la carène 10 du navire. Cette jambe support 3" a la forme d'une étoile à trois branches, et son axe de pivotement Y" correspond à l'axe de la branche la plus large. La puissance d'un ensemble de propulsion 1 ou 1 ' tel que visible sur les figures 1 à 3 peut ainsi être quasiment doublée sans avoir à développer une pompe hélice plus puissante, sans devoir augmenter le tirant d'eau, et en conservant l'avantage de n'avoir qu'un seul palier étanche 9 pivotant traversant la coque du navire.




 
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