Brevet FR2815485A1 — publié le 20020419

Le secteur technique de la présente invention est celui des dispositifs de réduction du bruit et d'absorption des vibrations générées par un moteur électrique intégré dans une nacelle de propulsion d'un navire. La propulsion des navires de surface se présente de différentes manières, parmi lesquelles on peut citer en particulier : - la propulsion mécanique ou électrique dite classique comportant une ou plusieurs lignes d'arbres internes à la coque avec une ou plusieurs hélices aux extrémités et un ou plusieurs gouvernails matériellement indépendants du système de propulsion, et également - la propulsion par nacelle, pour laquelle un ou plusieurs moteurs électriques associés à une ou plusieurs lignes d'arbres sont intégrés dans une nacelle orientable ou fixe externe à la coque du navire, la nacelle faisant ainsi office de gouvernail actif du fait de ses possibilités de rotation par rapport à la coque. Les premiers développements industriels de ce mode de propulsion par nacelle électrique sont très récents, ils datent d'une dizaine d'années. Ce système, communément appelé du nom anglais"pod"par les spécialistes, réalise une percée importante pour la propulsion des paquebots, des brises glaces ou autres navires. Il suscite également un très grand intérêt tant en marine marchande que militaire, concernant aussi bien des applications de propulsion électrique que des applications de substitution à certaines applications mécaniques. Ce système de propulsion électrique pour navires présente d'excellentes aptitudes de manoeuvrabilité et des performances dynamiques élevées. Son moteur, implanté à l'intérieur d'une nacelle immergée pouvant être pivotée sur 360 , est accouplé directement à un arbre d'hélice très court. Un tel système de propulsion peut développer des puissances atteignant 25 MW. Dans ce domaine technique, plusieurs réalisations ont déjà été proposées. On connaît des systèmes de propulsion du type pod pour navires constitués notamment d'une nacelle orientable dans laquelle est disposé un moteur électrique entraînant en rotation une ou plusieurs hélices par l'intermédiaire d'un arbre. Pour les pods actuellement connus, le moteur électrique est généralement monté rigidement dans la nacelle, notamment par frettage ou sertissage. Ces types de montage permettent une évacuation par conduction, avec le corps de la nacelle et l'eau de mer, d'une partie de la chaleur dégagée par le moteur électrique. Ce dernier est également refroidi par un circuit de réfrigération et/ou par ventilation tel que décrit par exemple dans les demandes de brevets internationales PCT WO 97/49605, WO 99/05023, WO 99/05024 et WO 99/36312. Un tel montage du moteur électrique dans la nacelle présente un inconvénient majeur lié à la propagation des vibrations et du bruit émis par le moteur électrique. Ce montage est favorable à la réfrigération du moteur en créant un pont thermique entre le moteur, qui s'échauffe, et l'eau environnant le pod. Mais il crée en même temps un pont phonique entre le moteur, qui est aussi une source de bruit importante, et l'enveloppe externe de la nacelle qui rayonne dans l'eau environnante et transmet les vibrations vers la structure du navire. Il est donc très défavorable du point de vue de la discrétion acoustique. En effet, ces vibrations sont transmises directement et sans atténuation à la nacelle et peuvent donc se propager dans l'eau de mer ou vers la coque du navire par l'intermédiaire du bras de liaison reliant celle-ci à la nacelle. De fait, les moteurs électriques de tous les pods actuellement commercialisés sont montés rigidement dans la nacelle, et souvent sertis, précisément pour favoriser l'échange thermique avec l'eau environnante, et réduire ainsi les autres moyens de réfrigération. Plusieurs projets de grands bâtiments militaires de second rang équipés de pods sont actuellement prévus. Les principales marines militaires mondiales étudient également la possibilité de doter certaines frégates de ce mode de propulsion par nacelle électrique. L'application particulière et très intéressante de la propulsion par pods sur des navires militaires impose des exigences de discrétion acoustique qui ne peuvent être satisfaites par les pods existants, en raison notamment du type de montage du moteur électrique dans la nacelle habituellement rencontré dans ces systèmes de propulsion. Par ailleurs, les brochures publicitaires des fabricants de pods vantent largement le caractère silencieux de ce type de propulsion. Cet argument est aussi repris par certains de leurs clients comme les chantiers constructeurs de paquebots. Ce point mérite d'être précisé. Une des caractéristiques intrinsèques des pods est qu'il est possible de placer l'hélice en avant du pod et de la faire ainsi travailler en hélice tractrice dans un écoulement hydrodynamique très peu perturbé, puisqu'il n'y a aucun obstacle en avant d'elle dans l'écoulement. Au contraire une hélice poussante classique attachée derrière une ligne d'arbres sortant en arrière d'une coque reçoit un écoulement très perturbé. Du fait de cette disposition favorable de l'hélice, les fluctuations de pression sur chaque pale d'hélice lors de la rotation sont minimes et par voie de conséquence n'envoient que des impacts de pression très faibles sur les parties de la carène du navire proches de l'hélice. Ces impacts de pression étant générateurs de bruit sur la structure du navire, il apparaît donc que le pod est par nature favorable à la réduction du bruit d'origine hydrodynamique dans le navire. Par contre, il n'existe aucun dispositif permettant de réduire les bruits d'origine mécanique issus en particulier du moteur, et dont le niveau est en général très supérieur à celui du bruit hydrodynamique. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un dispositif capable d'absorber une partie suffisante des vibrations générées par le fonctionnement du moteur électrique, afin de satisfaire aux exigences de discrétion acoustique (bruit rayonné dans l'eau) du navire et de son système de propulsion, imposées aux navires militaires. La présente invention a également pour but d'améliorer le confort acoustique à bord du navire. Un autre but consiste à diminuer la transmission à la nacelle du bruit aérien du moteur, sans augmenter le diamètre de celle-ci, qui serait préjudiciable au rendement et au bruit de l'hélice. L'invention vise donc à réduire le niveau de bruit émis par les moteurs électriques des pods, que ce soit vers le navire lui-même ou vers l'environnement. Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif d'absorption des vibrations générées par un moteur électrique intégré dans une nacelle de propulsion d'un navire, ledit moteur entraînant en rotation au moins une hélice par l'intermédiaire d'un arbre de transmission, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte des moyens logés dans la nacelle pour à la fois positionner et maintenir le moteur à l'intérieur de la nacelle et filtrer les vibrations émises par celui-ci. De préférence, les moyens sont constitués par des plots de découplage disposés entre le moteur et la paroi interne de la nacelle. De préférence, chaque plot de découplage est fixé d'une part à un premier élément de liaison du moteur et à un second élément de liaison de la paroi interne de la nacelle d'autre part. Les plots de découplage peuvent être constitués d'éléments actifs et/ou passifs par rapport aux vibrations du moteur. Les plots de découplage peuvent être orientés selon deux directions sensiblement perpendiculaires ou disposés en symétrie radiale par rapport à l'axe du moteur. Le premier élément de liaison du moteur au plot de découplage est constitué d'une patte d'attache, d'un renfort ou directement par le flasque du moteur. Le second élément de liaison du plot de découplage à la paroi interne de la nacelle peut être constitué d'une patte d'attache ou d'un renfort. De préférence, le moteur électrique est relié à l'arbre de transmission par l'intermédiaire d'un accouplement élastique. Ce dispositif présente l'avantage de fournir une nacelle de propulsion électrique particulièrement silencieuse ayant une forme extérieure et des capacités de propulsion inchangées par rapport aux systèmes existants. Il est important pour certains navires de réduire le niveau de bruit ou le niveau vibratoire à bord, pour le confort des passagers et de l'équipage, ainsi que pour faciliter le travail à bord. Il devient tout aussi important de réduire le niveau de bruit transmis à l'environnement. Ceci concerne Ja transmission de bruit par voie aérienne, pour ne pas gêner les populations habitant à proximité des ports et chenaux. Ceci concerne aussi la transmission dans l'environnement marin. Le bruit émis par un navire peut se transmettre à de très grandes distances dans la mer. Il constitue une source d'indiscrétion majeure pour un navire militaire, il peut perturber gravement les mesures faites par des navires de recherches scientifiques, océanographiques ou géophysiques..., il peut gêner également de façon non négligeable de nombreux animaux marins en perturbant les signaux sonores qu'ils captent ou émettent pour se diriger ou se reconnaître. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée, non limitative, ci-dessous. Cette description sera faite en regard des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un pod équipé d'un dispositif selon la présente invention, - la figure 2 représente une vue selon la figure 1, montrant une première variante de réalisation du dispositif avec des plots orientés dans deux directions différentes, - la figure 2A représente une vue en coupe transversale selon AA de la figure 2, - la figure 3 représente une vue selon la figure 1, montrant un deuxième mode de réalisation du dispositif avec des plots disposés radialement, - la figure 3A représente une vue en coupe transversale selon AA de la figure 3, - la figure 4 représente une vue selon la figure 1, montrant un troisième mode de réalisation du dispositif avec des plots disposés sur des fixations réparties à l'intérieur de la nacelle, la figure 4A représente une vue en coupe transversale selon AA de la figure 4, - la figure 5 représente une vue selon la figure 1, montrant un quatrième mode de réalisation du dispositif avec des plots associés à une pièce support intermédiaire, - la figure 5A représente une vue en coupe transversale selon AA de la figure 5. En référence aux figures 1 à 5 on voit, placé dans une nacelle de forme fuselée 1, un moteur électrique 2 sensiblement coaxial avec la nacelle et entraînant une hélice 3 à l'aide d'un arbre de transmission 4. Les fonctions de centrage et de tenue de l'arbre de transmission dans la nacelle ainsi que la fonction de transmission de la poussée de l'hélice à la nacelle sont assurées par un ou plusieurs ensembles de pièces mécaniques (paliers, roulements, butée ou roulement-butée) de type connu représentés en 5. La nacelle est en général suspendue sous la coque du navire à propulser par l'intermédiaire d'un bras de liaison 6, situé sur la partie haute de la nacelle, qui permet également le passage des divers circuits nécessaires au fonctionnement de la propulsion. Il s'agit des câbles d'alimentation 10 du moteur, de la ventilation de la nacelle et des liaisons 11 fluides ou électriques pour le fonctionnement et le contrôle du moteur, pour le fonctionnement et le contrôle des équipements dans la nacelle, et pour les fonctions de sécurité. Le moteur est monté dans la nacelle par l'intermédiaire de moyens constitués par des plots de découplage 7 fixés sur la carcasse résistante du moteur et sur la structure résistante de la nacelle en des points appropriés. Ces plots peuvent être fixés directement ou par l'intermédiaire de pièces mécaniques de liaison 8,12, 13,14, 15,16 et 17. La liaison avec l'arbre de transmission à l'hélice se fait par l'intermédiaire d'un accouplement élastique 9 de type connu. Les câbles électriques 10 d'alimentation du moteur ont un tracé assoupli. Les autres liaisons 11 électriques et fluides au moteur sont également souples (tracé assoupli pour les câbles, flexibles ou manchons pour les circuits fluides). La nacelle est en général suspendue sous la carène du navire par l'intermédiaire du bras 6 et elle peut être fixe ou orientable. Elle peut aussi être intégrée dans la quille du navire. La nacelle peut également comporter deux hélices 3, une à chaque extrémité, ces hélices pouvant être entraînées par le même moteur 2, qui est alors relié en bouts d'arbre par deux accouplements élastiques 9 assurant la liaison aux deux arbres 4 de transmission aux hélices. Les deux hélices peuvent également, être entraînés par deux moteurs électriques 2 indépendants montés chacun de façon analogue, que les hélices soient contrarotatives ou tournent dans le même sens. La façon la plus simple de fixer les plots est de le faire directement sur la carcasse du moteur et sur la structure de la nacelle, ce qui ne nécessite que des aménagements relativement réduits (renforts 12,13, 14 et 15, pattes d'attache 8 et 17 ou carlingages de petites dimensions soudés ou montés mécaniquement...). Cette disposition peut parfois conduire à des encombrements trop importants (toute augmentation du diamètre de la nacelle est en particulier préjudiciable aux performances hydrodynamiques), ou présenter des difficultés géométriques de raccordement entre zones du moteur et de la nacelle présentant une résistance structurelle suffisante. Dans ce cas, il convient d'utiliser des pièces supports intermédiaires 13,15 et 16 en continuité avec la carcasse du moteur et sur lesquels il est aisé de fixer les plots 7. On peut disposer avantageusement ces pièces supports intermédiaires sur les faces avant et arrière du moteur, en les concevant de telle façon qu'elles ne constituent pas un obstacle gênant pour la circulation du flux d'air de réfrigération du moteur (structure constituée de bandes de tôles soudées entre elles, par exemple). Ces pièces supports sont fixées rigidement à la carcasse du moteur, soit directement sur les flasques 16 ou sur la virole lorsqu'il y en a, soit reliées aux flasques 16 par des tirants 20 ou des plats, ce qui permet également de ménager un espace suffisant pour la circulation de l'air de réfrigération, si besoin. La disposition des plots dans le sens longitudinal, afin d'équilibrer et contrôler les efforts, se fait en général dans plusieurs plans successifs perpendiculaires à l'axe. La disposition la plus simple se fait en deux plans proches chacun d'une des deux faces du moteur. On s'attachera à la disposition des plots dans les plans transverses, qui permet, tout en assurant les fonctions de découplage, de contrôler la position du moteur, de forme générale cylindrique, dans la nacelle qui est de forme cylindrique ou fuselée et sensiblement coaxiale avec le moteur. Pour la disposition des plots, il est proposé deux variantes de réalisation. La première variante consiste en une composition de plots orientés suivant deux directions au moins (dans le cas de deux directions, avec un angle significatif entre elles et si possible de 90 ) afin d'avoir une bonne efficacité pour reprendre les efforts et filtrer les vibrations dans l'ensemble du plan transverse. La disposition la plus simple dans le cas de deux directions est de choisir les directions verticales et horizontales, les plots orientés verticalement étant choisis pour reprendre en plus de façon permanente le poids du moteur (figure 2). La seconde variante concerne une composition de plots orientés radialement par rapport à l'axe du moteur. La bonne symétrie de ce montage permet de filtrer efficacement les vibrations dans toutes les directions. Les plots en partie inférieure sont alors choisis pour reprendre en plus de façon permanente le poids du moteur (figure 3). L'ensemble des dispositions de montage et de liaisons du moteur électrique dans la nacelle sont telles que : elles réduisent la propagation des vibrations et bruits du moteur vers les structures environnantes, que ce soit la structure de la nacelle, l'hélice, le bras de liaison et la structure de la coque du navire, elles assurent un positionnement précis du moteur par rapport à la structure de la nacelle, en limitent les débattements, ainsi que ceux de l'arbre moteur par rapport à l'arbre d'hélice, et ceci dans toutes les conditions de fonctionnement, et quels que soient les mouvements et accélérations auxquels le navire et le pod sont soumis (en particulier les mouvements dus à la mer, les chocs d'explosions, les transitoires de vitesse ou de puissance du moteur...). Les plots de découplage assurent donc à la fois les fonctions de maintien, de positionnement du moteur et de filtrage des vibrations. L'optimisation du découplage, en fonction des caractéristiques du moteur et des fréquences d'excitation, fait appel à la fois : au type des plots, à fonctionnement passif élastique ou visco-élastique (caoutchouc, métal/caoutchouc, spire ou cable métallique, amortisseur...), ou à fonctionnement actif (pot vibrant asservi au comportement du moteur...) ; les plots se caractérisent en particulier par leurs coefficients de raideur et d'amortissement, leur caractère directionnel ou pluridirectionnel ; au nombre, à la position et à l'orientation des plots ; aux fixations des plots côté nacelle et côté moteur (carlingages d'interface...). REVENDICATIONS 1.-Dispositif d'absorption des vibrations générées par un moteur électrique (2) intégré dans une nacelle (1) de propulsion d'un navire, ledit moteur entraînant en rotation au moins une hélice (3) par l'intermédiaire d'un arbre de transmission (4), dispositif caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (7) logés dans la nacelle pour à la fois positionner et maintenir le moteur (2) à l'intérieur de la nacelle (1) et filtrer les vibrations émises par celui-ci. 2.-Dispositif d'absorption selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens sont constitués par des plots de découplage (7) disposés entre le moteur (2) et la paroi interne de la nacelle (1). 3.-Dispositif d'absorption selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque plot de découplage (7) est fixé d'une part à un premier élément de liaison (13,15, 16) du moteur et à un second élément de liaison (8,12, 14,17) de la paroi interne de la nacelle d'autre part. 4.-Dispositif d'absorption selon la revendication 3 caractérisé en ce que les plots de découplage (7) sont constitués d'éléments actifs et/ou passifs par rapport aux vibrations du moteur (2). 5.-Dispositif d'absorption selon la revendication 4 caractérisé en ce que les plots de découplage sont orientés selon deux directions sensiblement perpendiculaires. 6.-Dispositif d'absorption selon la revendication 4 caractérisé en ce que les plots de découplage (7) sont disposés en symétrie radiale par rapport à l'axe du moteur (2). 7.-Dispositif d'absorption selon la revendication 3 caractérisé en ce que le premier élément de liaison du moteur au plot de découplage est constitué d'une patte d'attache (13) ou d'un renfort (15). 8.-Dispositif d'absorption selon la revendication 3 caractérisé en ce que le plot de découplage est directement fixé au flasque (16) du moteur. 9.-Dispositif d'absorption selon la revendication 3 caractérisé en ce que le second élément de liaison du plot de découplage à la paroi interne de la nacelle est constitué d'une patte d'attache (8,17) ou d'un renfort (12,14). 10.-Dispositif d'absorption selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moteur électrique (2) est relié à l'arbre de Lransmission (4) par l'intermédiaire d'un accouplement élastique (9).