Brevet FR2776262A1 — publié le 19990924

PROPULSEUR NAVAL A MOTEUR CENTRAL ET A DEUX JETS HYDRAULIQUES DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne la motorisation des navires par jets hydrauliques. Elle concerne en particulier une unité de propulsion immergée en dessous du navire et orientable. Art antérieur et problème pose Dans le domaine de la propulsion des navires, submersibles ou insubmersibles, il est connu d'utiliser la technique des jets d'eau ou jets hydrauliques, appelés communément "hydro-jet". La plupart de ces navires utilisant un tel type de propulsion possèdent des propulseurs à jets hydrauliques, qui sont des dispositifs de pompage, à l'intérieur même du navire, c'est-à-dire à l'intérieur de la coque qui possède donc au moins une canalisation d'entrée et une canalisation de sortie de l'eau et une pompe entraînée par un moteur électrique par l'intermédiaire d'un arbre à presse-étoupe. De manière générale, il n'est donc pas facile d'orienter le ou les jets hydrauliques pour moduler la direction de la propulsion. De plus, de nombreux navires sont équipés souvent de plusieurs propulseurs de types différents, tels que les propulseurs d'étraves, les hydro-réacteurs verticaux qui sont des propulseurs de jets hydrauliques verticaux, des lignes d'arbres principales de propulsion. Tous ces systèmes sont nécessaires pour le maniement de ces navires. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau type d'unité de propulsion permettant de disposer d'une grande maniabilité par sa seule utilisation, n'affectant pas la coque du navire dans sa forme et ses fonctions. D'autre part, par la demande de brevet français publiée sous le numéro 2 732 412, on connaît un dispositif de pompage à moteur axial pour un mélange liquide ou gaz. Un tel dispositif comprend un ou plusieurs étages de pompage et un moteur électrique dont le rotor est solidaire du rotor de la pompe, le moteur électrique possède deux stators placés de part et d'autre du rotor discoïde. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un propulseur naval à moteur central définissant un axe central et fournissant deux jets hydrauliques, comprenant principalement: - un moteur électrique discoïde possédant deux rotors électriques et un double stator électrique placé lui-même entre les deux rotors électriques; - deux groupes d'aubes centrifuges constituant deux roues hydrauliques entraînées par le moteur, placées de part et d'autre de celui-ci; et - deux volutes hélicoïdales montées sur un corps central, dans chacune desquelles est placée une roue hydraulique. De préférence, le moteur électrique est du type alternatif asynchrone. Dans la réalisation préférentielle du propulseur, ce dernier possède une structure centrale constituée d'un arbre vertical de manoeuvre monté sur un corps central, perpendiculairement à l'axe central du propulseur, pour orienter en direction le propulseur. De préférence, les deux rotors électriques sont montés tournant sur deux tourillons fixés au corps du stator perpendiculairement à l'arbre de manoeuvre. La partie tournante du propulseur est constituée entre autres, de chaque côté du corps central, d'un corps de roue monté tournant sur un arbre central de jumelage et guidé en rotation et translation par un palier et une butée. De préférence, les paliers et les butées des roues sont des paliers à patins fixés sur les tourillons qui sont fixes. De même, on utilise des butées à patins pour le montage en rotation des deux roues, les patins étant fixés sur les tourillons. Dans leur réalisation préférentielle, les deux volutes ont chacune un orifice d'entrée latérale pour aspirer l'eau à éjecter, les aubes des roues hydrauliques étant placées face à cet orifice d'entrée latérale, c'est-à-dire le long de l'axe de rotation, les orifices d'entrées étant perpendiculaires à l'axe des jets en sortie du propulseur. Dans le but de doter le propulseur d'un degré de liberté supplémentaire, afin d'améliorer les possibilités de maniement du navire, les volutes sont montées tournantes autour d'un axe horizontal sur le corps, de manière à orienter les jets hydrauliques par rapport au plan horizontal. Dans ce cas, cette rotation se fait au moyen d'un palier mécanique, chaque volute étant orientée par la traction sur un câble d'orientation en profondeur du jet entourant la surface externe de la volute. Cette traction étant opposée à l'effort de rotation naturellement engendrée par la poussée des jets. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante qui est accompagnée de trois figures représentant respectivement: - figure 1, en coupe, le propulseur selon l'invention; - figure 2, en coupe, le détail de montage d'une roue dans le propulseur selon l'invention; et - figure 3, une vue latérale du propulseur selon l'invention. Description détaillée d'une réalisation de l'invention La figure 1, en coupe, montre les principaux éléments constituant le propulseur selon l'invention. Tout d'abord, le propulseur est suspendu un arbre vertical de manoeuvre 1, monté tournant en rotation dans le navire ou sur le navire, plongeant dans l'eau et en bas duquel le propulseur est donc fixé. Plus précisément, un corps central 2 du propulseur est fixé à cet arbre vertical de manoeuvre 1 et supporte l'ensemble du propulseur. C'est sur deux tourillons 30 de ce corps central 2 que sont montés les deux volutes hélicoidales et le moteur électrique dont les deux rotors portent eux-mêmes les deux roues hydrauliques. Dans le corps central, au centre des deux tourillons 30, est monté tournant un arbre central de jumelage 3 se trouvant horizontalement et constituant l'axe de rotation du moteur et de l'ensemble du propulseur. Sur chacune des parties latérales du corps central 2 se trouve un stator électrique 4 du moteur asynchrone. Chaque stator électrique 4 est constitué d'un feuillard bobiné, dans lequel sont taillées des encoches o est logé le bobinage. Deux câbles d'alimentation électrique 5, passant au milieu de l'arbre vertical de manoeuvre 1 et à l'intérieur du corps central 2 alimentent ces deux stators électriques 4 à partir du navire. La partie tournante du moteur électrique est constituée de deux rotors électriques 6 placés en regard chacun d'un stator électrique 4. Chacun des rotors 6 est donc de forme discoide et est de structure en roue de charrette dont la partie électromagnétique est confinée dans une enveloppe étanche inoxydable. Ces deux rotors 6 sont intégrés chacun dans le corps d'une roue 7 montée elle-même tournante sur l'axe central de jumelage 3. La figure 2 montrant en détail ce montage. En effet, on y retrouve un rotor électrique 6, implanté dans une bague mobile 17 constituant la principale partie du corps 7 de la roue qui le porte. Dans cet exemple de réalisation, le rotor électrique 6 est constitué d'un bloc de tôles électromagnétiques et de barreaux radiaux 10 en forme de roue de charrette. Un anneau de court circuit 18 est placé à chaque extrémité des barreaux 10. L'ensemble est recouvert d'une enveloppe ou d'une chemise de protection 11 en acier spécial du type hastelloy ou plus généralement en alliage inoxydable magnétique (titane, hastelloy, inconnel, etc.). Chaque bague mobile 17 du corps 7 de la roue est donc montée tournante autour des tourillons 30 du corps central 2, sur l'arbre central de jumelage 3, au moyen d'un palier à patins et d'une butée à patins. Ainsi, les patins de palier 13 sont montés sur une pièce support de palier 14 elle-même fixée sur le tourillon 30 du corps central 2 du propulseur. L'ensemble se complète de patins de butée 15 montés sur une pièce de support de butée 16 au bout de chaque extrémité de l'arbre central de jumelage 3. Un collet de butée 12, fixé à la bague mobile 17 fait face aux patins de butée 15, tandis que la surface interne cylindrique de la bague mobile 17 fait face au patin de palier 13. Un écrou 19 bloque l'ensemble du corps 7 de la roue sur l'arbre central de jumelage 3. On note que les patins 13 et 15 de palier et de butée sont montés sur les tourillons 30 qui sont fixes, contrairement à la technique habituelle. Ceci simplifie la fabrication et limite les vibrations. On constate que l'arbre central de jumelage 3 permet de coupler les deux roues hydrauliques et leur rotor intégré placées chacune à une extrémité de cet arbre central de jumelage 3. On précise que les patins de palier 13 sont du type oscillant. La butée permet de définir de manière très précise la valeur des entrefers du moteur. En référence à la figure 1, chaque corps 7 de roue porte un ensemble d'aubes centrifuges 8, placé chacun au centre d'une volute 9 de forme hélicoïdale. Ces deux volutes 9 débouchent dans deux buses de sortie latérale non représentée sur cette figure. Par contre, on distingue une entrée axiale 20 au centre de chaque volute 9, chacune se trouvant en regard d'un groupe d'aubes centrifuges 8. Ainsi, l'eau qui est aspirée axialement dans chacune des volutes 9, par la rotation de chaque groupe d'aubes centrifuges 8, est refoulée dans la spirale constituée par la volute 9 pour être éjectée du propulseur. On prévoit que les ensembles d'aubes centrifuges soient prévus en matériau inxoydable dans l'eau de mer (titane, acier austéno-ferritique, bronze marine,...). La figure 3 montre mieux l'éjection de l'eau en dehors des volutes 9 puisqu'une sortie 31 a été représentée dans la partie supérieure d'une des deux volutes 9. On constate que le jet d'eau ainsi projeté est horizontal. Le navire est représenté par une partie de sa coque inférieure 22 dans laquelle est monté tournant l'arbre vertical de manoeuvre 1 représenté sur la figure 1. Les câbles d'alimentation 5 du moteur sont également représentés à l'intérieur de cet arbre central 1. Celui-ci est donc monté tournant grâce à deux paliers 23 et un mécanisme d'orientation du propulseur schématisé par un levier de manoeuvre 24 solidaire de l'arbre vertical de manoeuvre 1 et accessible à partir de l'intérieur du navire. Un connecteur tournant 25 complète avantageusement ce montage et assure la connexion avec les câbles d'alimentation 5. Le propulseur est donc monté tournant autour d'un axe vertical lorsque le navire est horizontal. On comprend ainsi que les deux jets hydrauliques fournis par le propulseur soient dirigés de préférence dans la même direction, cette dernière étant orientable sur les 360 autour de l'axe vertical. Le propulseur est donc utilisable pour effectuer non seulement des marches avant ou arrière mais également des déplacements d'étrave. Revenant à la figure 1, on s'aperçoit que les deux volutes 9 sont montées tournantes autour d'un axe horizontal confondu avec l'arbre central de jumelage 3, par rapport au corps central 2. En effet, une collerette circulaire 26 est prévue dans le corps 28 de chaque volute 9 et est montée dans une rainure circulaire de la partie inférieure 27 du corps central 2. Ainsi, chaque volute 9 est montée tournante indépendamment l'une de l'autre, ou non. On précise qu'aucun système de palier spécial n'est prévu puisque la rotation de ces deux volutes 9 s'effectue dans l'eau, lentement, et sur un débattement maximal de . La rotation de ces volutes est obtenue grâce à deux câbles 21. Ces derniers sont enroulés chacun dans une rainure 29 pratiquée dans le corps 28 de chaque volute 9. On comprend ainsi qu'une traction sur les câbles 21, dans le sens opposé à la rotation de réaction du propulseur due aux jets d'eau désaxés par rapport à l'axe central, puisse déterminer la position angulaire du propulseur autour de ce même axe central. Si la traction est supérieure, on obtient une rotation du propulseur dans le sens opposé à la rotation de réaction due à la propulsion. Si cette traction est légèrement inférieure, la rotation de réaction à la propulsion oriente le propulseur dans le sens opposé. Il est ainsi possible d'orienter, autour d'un axe horizontal, le propulseur en conséquence et la direction de propulsion des jets hydrauliques. Le propulseur décrit dans cet exemple peut être un propulseur de forte puissance, à savoir 450 kW, développant une force de 55 000 N, à vitesse nulle. Avantages de l'invention Le propulseur selon l'invention est un moteur hors-bord, c'est-à-dire se situant en dehors de la coque du navire. Il est donc réfrigéré automatiquement par l'eau et permet de gagner en volume dans les cales du navire. Le propulseur selon l'invention ne possède aucune ligne d'arbres de propulsion traversant la coque du navire. Ceci évite l'utilisation de divers systèmes d'étanchéité du type presse-étoupe. L'intégration des deux rotors électriques dans les deux roues de la partie tournante permet de ne pas rajouter d'éventuelles pertes par frottement fluide apparaissant dans le cas d'un moteur noyé de façon classique. La poussée du propulseur est orientable suivant une demi- sphère, c'est-à-dire suivant deux degrés de liberté autour de deux axes de rotation. Quatre propulseurs selon l'invention peuvent remplacer des lignes de propulsion principales usuelles, les propulseurs d'étraves, les hydro-réacteurs verticaux. De plus, ils peuvent être combinés pour stabiliser la plate-forme navire d'une installation flottante, en marche ou à l'arrêt. Le moteur électrique utilisé est d'une technologie classique n'utilisant ni aimant permanent coûteux ou difficile à manipuler. Le fait qu'il soit discoide permet de réduire les pertes par frottement fluide. De plus, le propulseur selon l'invention peut être démonté, lorsque le navire est à flot, par deux plongeurs. Le montage opposé dit "dos à dos" des deux roues et des deux ensembles d'ailettes centrifuges permet d'équilibrer les deux poussées hydrauliques et électromagnétiques. Ceci permet d'utiliser des butées axiales de faible capacité. REVENDICATIONS 1. Propulseur naval à moteur central définissant un axe central et fournissant deux jets hydrauliques, comprenant: - un moteur discorde électrique à deux rotors électriques (6) et un double stator électrique (4) placé entre les deux rotors électriques (6); - deux groupes d'aubes centrifuges (8) constituant chacun une roue hydraulique entraînées par le moteur et placées de part et d'autre de celui-ci; et - deux volutes hélicoïdales (9) montées sur un corps central du propulseur et dans chacune desquelles est placé une roue hydraulique constitué d'un groupe d'aubes centrifuges (8). 2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est du type alternatif asynchrone. 3. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une structure centrale constituée d'un arbre de manoeuvre (1) vertical monté sur un corps central (2), et perpendiculairement à l'axe central du propulseur pour orienter ce dernier. 4. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux rotors électriques (6) sont montés tournants avec un arbre central de jumelage (3) sur deux tourillons (30) du corps central (2) et perpendiculairement à l'arbre de manoeuvre (1). 5. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend à chaque extrémité de l'arbre central de jumelage (3) un corps (7) de roue, monté tournant autour des deux tourillons (30) du corps central (2) et guidé en rotation et translation au moyen d'un palier et d'une butée, chacune de ces corps (7) de roue portant un rotor électrique (6). 6. Propulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque groupe d'aubes (8) est fixé à un corps (7) de roue. 7. Propulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les paliers sont constitués par des patins de paliers (13) montés sur les tourillons (30) du corps central (2). 8. Propulseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les butées sont constituées de patins de butée (15) montés sur les tourillons (30) du corps central (2). 9. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux volutes (9) ont chacune un orifice d'entrée latérale (20) pour aspirer l'eau à éjecter, les aubes centrifuges (8) étant placées en regard de cet orifice d'entrée latérale (20), c'est-à-dire sur l'axe central du propulseur. 10. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les volutes (9) sont montées sur le corps central (2) de façon tournante autour de l'axe central du propulseur, pour orienter les jets hydrauliques par rapport au plan horizontal. 11. Propulseur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend deux câbles d'orientation en profondeur du jet (21) entourant chacun la surface externe d'une volute (9) pour orienter le jet de chacune de ces deux volutes (9) par rapport à l'axe horizontal, du jet (21) par traction sur le câble d'orientation en profondeur et action antagoniste des jets d'eau sortant des volutes (9).