Brevet FR2788032A1 — publié le 20000707

L'invention concerne un dispositif de propulsion d'un bâtiment naval tel qu'un navire, un sous-marin, une plate-forme pétrolière ou une barge. On connaît des dispositifs de propulsion pour des navires ou plus gé- néralement pour des bâtiments au moins partiellement immergés dans une masse d'eau telle qu'une mer ou un océan. De tels dispositifs de propulsion peuvent comporter une nacelle sur laquelle est montée au moins une hélice de propulsion rotative entraînée par un moteur. La nacelle, qui présente une forme profilée, est généralement fixée à l'extrémité d'une jambe montée rotative autour d'une direction per- pendiculaire à la direction longitudinale du bâtiment, suivant laquelle ce bâ- timent se déplace dans l'eau. Pour cela, la jambe qui est supportée par la structure du bâtiment est associée à un dispositif de pivotement permettant de régler l'orientation de la jambe et de la nacelle. Pour entraîner en rotation la ou les hélices portées par la nacelle, on a proposé d'utiliser un moteur électrique ou un moto-réducteur porté par une partie de structure du bâtiment et comportant au moins un arbre de sortie disposé à l'intérieur de la jambe de suspension et d'orientation s'étendant jusqu'à la nacelle o l'entraînement d'un arbre, solidaire des hélices, est as- suré par l'intermédiaire d'une pignonnerie. Un tel dispositif présente des inconvénients, en particulier du fait qu'il est nécessaire de loger le moteur à l'intérieur du bâtiment et de transmettre le couple du moteur à distance, suivant toute la longueur de la jambe de suspension et d'orientation. Il est également nécessaire de prévoir une pi- gnonnerie permettant d'effectuer des renvois d'angle pour entraîner l'arbre disposé dans la nacelle. On a donc proposé d'utiliser des dispositifs de propulsion comportant au moins un moteur intégré à la nacelle. Une telle disposition permet en par- ticulier de supprimer le moteur d'entraînement disposé dans le bâtiment et les organes de transmission de la rotation aux hélices. Dans le cas d'une utilisation d'un tel moteur intégré à la nacelle, il est possible de fixer directement les hélices sur le rotor du moteur monté rotatif autour d'une partie de la nacelle. Dans ce cas, le stator du moteur est fixé autour de la partie de la nacelle sur laquelle est monté le rotor, en vis-à-vis du rotor. Généralement, le rotor est monté entre deux parties de stator et en vis-à-vis de butées permettant de transmettre la poussée à la nacelle et, par son intermédiaire, au navire. La nacelle comporte une enveloppe externe de forme généralement profilée à l'intérieur de laquelle sont disposées les par- ties de stator et les parties de rotor du moteur électrique d'entraînement des hélices. L'enveloppe de la nacelle comporte au moins une ouverture annu- laire permettant le passage des hélices fixées au stator, vers la masse d'eau dans laquelle est plongée la nacelle. Il peut être extrêmement avantageux, d'autre part, d'utiliser des héli- ces de propulsion constituant une ou plusieurs paires d'hélices contrarotati- ves, c'est-à-dire d'hélices tournant en sens inverse et comportant des pales d'hélice ayant des orientations inversées placées l'une à la suite de l'autre. On augmente ainsi le rendement du dispositif de propulsion. L'utilisation de moteurs électriques intégrés à la nacelle est particuliè- rement indiquée dans le cas o la propulsion est assurée par des paires d'hélices contrarotatives, dans la mesure o il suffit alors d'alimenter les stators des moteurs d'entraînement des hélices contrarotatives d'une paire d'hélices, de manière à faire tourner les rotors des moteurs en sens inverse. On évite ainsi en particulier d'exercer des forces de vrillage sur le support de la nacelle. Cependant, la structure des nacelles à moteur intégré connues de l'art antérieur est extrêmement complexe, dans le cas o la propulsion est assurée par une ou a fortiori par plusieurs paires d'hélices contrarotati- ves. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de propulsion d'un bâtiment naval dans une direction longitudinale du bâtiment, compor- tant une nacelle sur laquelle est montée au moins une hélice de propulsion rotative et au moins un moteur électrique d'entraînement de l'hélice et au moins une jambe de suspension et d'orientation de la nacelle sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale du bâtiment, montée pivotante autour d'un axe perpendiculaire à la direction longitudinale, par une pre- mière extrémité sur une partie de structure du bâtiment et solidaire de la na- celle par une seconde extrémité, ce dispositif de propulsion permettant de simplifier considérablement la construction de la nacelle, dans le cas d'une propulsion assurée par au moins une paire d'hélices contrarotatives. Dans ce but, la nacelle comporte un arbre de direction sensiblement longitudinale solidaire de la seconde extrémité de la jambe de suspension et d'orientation, sur lequel est montée au moins une paire d'hélices contrarota- tives, chacune des hélices étant solidaire d'un support de rotor monté rotatif autour de l'arbre de la nacelle, portant au moins un élément de rotor placé en vis-à-vis d'au moins un stator fixé autour de l'arbre de la nacelle et dispo- sé à l'intérieur du support de rotor qui constitue une partie au moins d'une enveloppe de la nacelle. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation de l'invention, dans le cas d'une nacelle comportant deux paires d'hélices contrarotatives. La figure 1 est une vue en élévation latérale et en coupe partielle de la partie inférieure d'un bâtiment et de la nacelle de propulsion de ce bâti- ment. La figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1. La figure 3 est une vue en élévation latérale et en coupe partielle de la partie inférieure d'un bâtiment et de la nacelle de propulsion de ce bâti- ment, suivant une variante de réalisation. Sur la figure 1, on voit une partie inférieure 2 de la structure d'un na- vire désignée de manière générale par le repère 1. La partie inférieure 2 de la structure est traversée par une ouverture dans laquelle est engagée une partie d'extrémité supérieure d'une jambe de suspension et d'orientation 3 disposée verticalement et montée rotative dans la structure 2 autour de son axe vertical 4. Une nacelle 5 de propulsion du navire 1 est fixée à l'extrémité inférieure de la jambe de suspension et d'orientation 3. Des moyens d'orien- tation 6 fixés sur la structure 2 du bâtiment 1 permettent d'orienter la jambe de suspension et d'orientation 3 et la nacelle 5 autour de l'axe vertical 4 de la jambe de force. La nacelle 5 permet d'assurer la propulsion du navire, dans une di- rection générale longitudinale de ce navire sensiblement parallèle à l'axe 7 de la nacelle. Selon l'invention, la nacelle 5 comporte un arbre longitudinal 8 fixé par rapport à la nacelle, d'axe 7, de forme tubulaire, sur lequel sont montés deux ensembles de propulsion 9 et 10 du navire 1. La nacelle 5 comporte de plus des éléments de profilage 11 et 12 fixés aux extrémités axiales de l'arbre 8. Les ensembles de propulsion 9 et 10 comportent chacun une pre- mière unité de propulsion respectivement 9a et 10a et une seconde unité de propulsion, respectivement 9b et 10 Ob. La première et la seconde unités de propulsion d'un ensemble de propulsion comportent des hélices contrarotatives, c'est-à-dire des hélices tournant en sens inverse l'une de l'autre, dont les pales 14 sont orientées de manière inversée. Cependant, en ce qui concerne leur structure générale, les unités de propulsion 9a, 9b, 10a et 10b sont identiques. On ne décrira donc qu'une seule unité de propulsion en se référant aux figures 1 et 2. L'unité de propulsion (par exemple 9a) comporte un moteur électrique d'entraînement 13 et une hélice constituée par des pales 14 fixées sur un support de rotor 15 du moteur 13 dont le stator 16 est disposé à l'intérieur du support de rotor 15 réalisé sous une forme annulaire. Le support de rotor 15 est monté rotatif sur l'arbre 8 de la nacelle, autour de l'axe 7, par l'intermédiaire de deux paliers 17 et 17'. De préférence, comme représenté sur la figure 2, le support de rotor 15 est réalisé en deux parties qui sont assemblées entre elles suivant une zone de jonction 19. Chacune des deux parties du support de rotor com- porte un flasque circulaire sur la surface interne duquel sont fixés des élé- ments de rotor 18 qui peuvent être constitués par exemple par des aimants permanents répartis circonférentiellement à la surface du flasque, autour de I'axe 7 de la nacelle constituant également l'axe de rotation du moteur 13. Le stator 16 comporte un support de stator 20 en forme de disque fixé autour de l'arbre 8 de la nacelle, sur lequel sont fixés des éléments de stator 21 constitués de préférence par des bobinages associés à des noyaux ma- gnétiques. Les éléments de stator 21 sont répartis circonférentiellement sur le support de stator 20 et disposés en vis-à-vis des éléments de rotor 18, sur chacune des faces du support de stator. Le moteur 13 constitue un moteur ayant une double structure discoïde. Les bobinages 21 du stator sont ali- mentés de manière à engendrer un champ de direction axiale, c'est-à-dire parallèle à l'axe de rotation 7 du moteur tournant autour de l'axe 7. L'alimentation des stators permet également de faire tourner le mo- teur à une vitesse variable et réglable. Les stators de deux moteurs d'entraînement de deux unités de pro- pulsion tels que 9a, 9b d'un ensemble de propulsion tel que 9 sont alimentés de manière à créer des champs tournant en sens inverse, de telle sorte que les ensembles de propulsion 9a et 9b tournent en sens inverse. L'alimentation des stators produit une rotation d'ensemble des supports de rotor et des pales portées par la surface latérale externe des supports de rotor. La rotation en sens inverse des unités de propulsion de chacun des ensembles 9 et 10, ces unités constituant des hélices contrarotatives, per- met d'obtenir, entre les deux hélices contrarotatives, un flux de liquide pure- ment axial. On diminue ainsi les pertes du dispositif de propulsion et, de plus, on évite de vriller le support de la nacelle constitué par l'axe tubulaire 8. Le rendement du moteur de propulsion est ainsi considérablement accru. Les hélices contrarotatives de chacun des ensembles de propulsion tournent en sens inverse à la même vitesse ou à une vitesse très légère- ment différente. Les hélices telles que 9a et 10a, constituant les hélices situées en amont dans le sens de déplacement du navire donné par la flèche 22, cons- tituent des hélices propulsives, les hélices situées immédiatement en aval des hélices 9a et 10a des ensembles 9 et 10 constituant des hélices redres- seuses. Les hélices redresseuses 9b et 10b, qui tournent à la même vitesse ou à une vitesse très légèrement différente de la vitesse des hélices propul- sives absorbent la même puissance que les hélices propulsives. Les différents ensembles moteurs d'entraînement des unités de pro- pulsion 9a, 9b, 10a et 10b peuvent être commandés indépendamment les uns des autres pour réaliser la mise en rotation des hélices dans le sens et à la vitesse voulus. De plus, la construction de la nacelle est particulièrement simple, puisque l'enveloppe de la nacelle est constituée uniquement par des élé- ments de profilage 1 1 et 12 et par les supports de rotor 15 portant les pales 14 des hélices. Les supports de stator sont fixés directement sur l'arbre 8 de la nacelle et les supports de rotor sont eux-mêmes fixés autour de l'arbre de la nacelle, par l'intermédiaire de paliers qui assurent la transmission de la force de propulsion à la nacelle et au navire. D'autre part, les supports de rotor constituant des parties de l'enveloppe de la nacelle ne sont pas réalisés nécessairement de manière étanche à l'eau et n'ont pas à supporter la pression de l'eau dans laquelle se déplace le navire. Les supports de rotor 15 sont traversés par des ouvertu- res telles que 23 permettant le passage de l'eau de mer. Les éléments du moteur 13 doivent donc être pourvus d'une isolation résistant à l'eau de mer. Dans le cas de moteurs de propulsion de type synchrone dont les éléments de rotor sont constitués par des aimants permanents, une protection particu- lière doit être prévue pour les aimants, du type plaque en matériau compo- site, peinture ou résine. Les paliers 17 et 17' sont constitués par des paliers de butées per- mettant de transmettre les efforts de propulsion à la nacelle et au navire. Ces paliers peuvent être réalisés sous la forme de paliers hydrodynamiques fonctionnant dans l'eau de mer. On pourrait également utiliser un seul palier de butée à double effet réalisé sous la forme d'un palier hydrodynamique fonctionnant dans l'eau de mer. Du fait que non seulement le support de rotor15 constituant une partie de l'enveloppe de la nacelle et de la carcasse du moteur, mais encore les éléments de rotor et le stator sont noyés dans l'eau de mer, le refroidisse- ment du moteur est très efficace. Ce refroidissement intense permet de ré- duire la taille du moteur de propulsion. Sur la figure 3, on a représenté une variante de réalisation du dispo- sitif de propulsion suivant l'invention. Les éléments correspondants sur les figures 1 et 3 portent les mêmes repères. Selon la variante de la figure 3, I'arbre 8 est réalisé en trois parties 8a, 8b et 8c qui sont assemblées lors du montage du dispositif de propulsion. La partie centrale 8a de l'arbre est solidaire de la jambe de suspen- sion et d'orientation 3 et porte les unités de propulsion 9b et 10a, la partie de droite 8b porte l'unité de propulsion 9a et la partie de gauche 8c, I'unité de propulsion 1 Ob. Comme précédemment, les ensembles de propulsion 9 et 10 sont constitués d'hélices contrarotatives. L'un des ensembles de propulsion pour- rait comporter une seule hélice. La variante représentée sur la figure 3 permet une réalisation modu- laire du dispositif de propulsion. Bien entendu, le dispositif de propulsion suivant l'invention peut com- porter une nacelle dont l'arbre supporte un nombre quelconque d'ensembles de propulsion constitués chacun de deux hélices contrarotatives entraînées par un moteur électrique. Le dispositif de propulsion suivant l'invention peut être utilisé sur tout type de navire et sur toute installation au moins partiellement immergée telle qu'une plate-forme pétrolière ou une barge. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de propulsion d'un bâtiment naval (1) dans une direction longitudinale (22) du bâtiment (1), comportant une nacelle (5) sur laquelle est montée au moins une hélice de propulsion rotative (14) et au moins un moteur électrique (13) d'entraînement de l'hélice (14), et au moins une jambe de suspension et d'orientation (3) de la nacelle (5) sensiblement per- pendiculaire à la direction longitudinale (22) du bâtiment, montée pivotante autour d'un axe (4) perpendiculaire à la direction longitudinale (22), par une première extrémité, sur une partie de structure (2) du bâtiment (1) et soli- daire de la nacelle (5) par une seconde extrémité, caractérisé par le fait que la nacelle (5) comporte un arbre (8) de direction sensiblement longitudinale solidaire de la seconde extrémité de la jambe de suspension et d'orientation (3), sur lequel est montée au moins une paire d'hélices contrarotatives (9a, 9b, 10a, 10b), chacune des hélices étant solidaire d'un support de rotor (15) monté rotatif autour de l'arbre (8) de la nacelle (5), portant au moins un élé- ment de rotor (18), placé en vis-à-vis d'au moins un stator (20, 21) fixé au- tour de l'arbre (8) de la nacelle (5) et disposé à l'intérieur du support de rotor (15) qui constitue une partie au moins d'une enveloppe de la nacelle (5). 2.- Dispositif de propulsion suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux ensembles (9, 10), de deux unités de propulsion (9a, 9b, 1 Oa, 1 Ob) constituant des hélices contrarotatives. 3.- Dispositif de propulsion suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que chacun des supports de rotor (15) de forme annulaire comporte deux flasques sur les surfaces internes desquels sont fixés des éléments de rotor (18) dans une disposition circonférentielle autour de l'axe (7) du sup- port de rotor disposés en vis-à-vis de deux ensembles d'éléments de stator (21). 4.- Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait que chacun des supports de rotor (15) de forme annulaire est monté sur l'arbre (8) de la nacelle (5), par l'intermédiaire d'au moins un palier de butée (17, 17'). 5.- Dispositif de propulsion suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le support de rotor (15) comporte une ouverture de passage de fluide (23) dans sa paroi, le moteur électrique (13) étant entièrement noyé dans le liquide dans lequel se déplace le bâtiment naval. 6.- Dispositif de propulsion suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le palier unique ou les paliers de butée (17, 17') de montage rota- tif du support de rotor sur l'arbre (8) de la nacelle sont constitués par des paliers de butée hydrodynamiques fonctionnant dans l'eau de mer. 7.- Dispositif de propulsion suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé par le fait que des parties (11, 12) de l'enveloppe de la nacelle (5) disposées aux extrémités de l'arbre (8) de la nacelle consti- tuent des pièces de profilage de la nacelle.