EP0579533A1 - Safrans pour navires de moyen et gros tonnage - Google Patents

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EP0579533A1
EP0579533A1 EP93401792A EP93401792A EP0579533A1 EP 0579533 A1 EP0579533 A1 EP 0579533A1 EP 93401792 A EP93401792 A EP 93401792A EP 93401792 A EP93401792 A EP 93401792A EP 0579533 A1 EP0579533 A1 EP 0579533A1
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EP
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wick
box
boxes
saffron
fin
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EP93401792A
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German (de)
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EP0579533B1 (fr
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Patrick Parneix
Jean-Yves Le Lan
Daniel Carriou
Marc Dufournaud
Olivier Mahler
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ETAT FRANCAIS REPRESENTE PAR LE DELEGUE GENERAL
Original Assignee
Direction General pour lArmement DGA
Etat Francais
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/38—Rudders

Definitions

  • the present invention relates to rudders in general: stabilization rudders for surface ships, steering rudders, and diving rudders for submarines. In all cases, these are fins which can be oriented from the ship by means of a drill bit.
  • the rudders are made entirely of metal. They comprise a mechanically welded framework on which the hydrodynamic envelope is mounted, obtained by welding sheets previously formed in the hot state.
  • the interface with the drill bit is a massive part produced by molding, the surfaces of which are machined.
  • the steel drill bit is forged and then machined.
  • An object of the invention is to overcome these drawbacks, namely to reduce the mass of such rudders substantially and to make their manufacture less laborable by eliminating hot forming, by the use of composite materials.
  • Another important object of the invention is the almost exclusive use of composite materials for the production of these rudders, both at the level of the fin and of the wick and of the connection interface between the two, in particular to avoid metal-composite structural associations which are never without drawbacks.
  • the solution provided consists in providing in the structure of the fin a box for receiving the lower part of the wick, their sections being polygonal, for example hexagonal, to ensure between them a rotation lock.
  • Said receiving box of the lower part of the wick is joined by all of at least one of its lateral faces to the rest of the structure of the fin. It is advantageously made of glass-resin composite.
  • the structure of the fin comprises an assembly of separate boxes of which said box receives the lower part of the wick.
  • the filament winding technique is carried out by association of the filament winding technique and the draping technique.
  • the first makes it possible to give an oblique orientation of the reinforcing fibers - for example at + 45 ° and at -45 ° - relative to the longitudinal axis of the wick, and the second an orientation at 0 °.
  • They are preferably carbon fibers.
  • the rudders In addition to the drill bit and the fin, the rudders have a spur, which is subjected to significant shear forces. Therefore, it is advantageously produced in the general form of a full cylinder made up of rods of pultruded glass-resin composite, compacted and bonded with resin.
  • a steering rudder is shown in place on a ship of which only the bottom F and the butt C appear very schematically. It is a rudder of the type with compensation for the fact that at the bottom of the fin 1 part of it is on the other side of the axis of rotation XX relative to its main part. Fin 1 is suspended and articulated by through a wick 2 and a spur 3, both focused on XX.
  • rudder namely fin 1, wick 2 and spur 3
  • the only metal parts are two connecting inserts allowing conventional fixing methods and rings attached to the drill bit 2 at the P bearings.
  • the wick is connected to the fin via a hub. It is generally engaged in the hub by conical fitting, the latter being welded to the frame of the fin. This connection system is simple and does not lead to any particular technical difficulties.
  • the solution found consists of a tubular box 4 secured to the rest of the structure of the fin 1, of polygonal section, and preferably hexagonal as in the drawing, FIG. 3, admitting the lower part of the drill bit 2 of corresponding section. Locking in rotation is therefore ensured by the shape of the sections, and perfect by adding a setting resin in 5.
  • a metal ring 6, Figs. 2 and 3 is glued to the inside of the box 4, and an end piece 7 at the lower end of the wick 2, the end piece 7 and the ring 6 being secured to each other by keying.
  • the box 4 is advantageously made of glass-resin composite. As can be seen in Fig. 1, it extends clearly beyond the lower end of the drill bit 2, in fact up to the appendix Ca of the butt C in which the pivot pin 3 revolves. To allow the latter to be fitted during assembly rudder on the ship, the box 4 has a side hatch 8, and is open at its lower end, therefore having in fact a tubular shape.
  • the fact of extending the box 4 as much as possible has the advantage of having an area which is all the more important for its junction with the rest of the structure of the fin 1. In a preferred embodiment, this junction is made by gluing over the entire extent of a side face of the box 4. In a rudder of different shape such as a stabilization rudder in particular, where the box 4 occupies an intermediate position in the structure of the fin, there are of course two opposite lateral faces of the box 4 for the junction with the rest of said structure.
  • the wick 2 has also been the subject of special research, as to the problem of its resistance as a function of the torques and the very large bending forces to which it is subjected, and as to the best way to achieve it.
  • a hollow wick 2 obtained by combining two techniques for using composite materials: filament winding and draping, and using a mandrel whose section changes gradually, in an intermediate zone, from the circular shape to the polygonal shape.
  • filament winding and draping the choice was made on carbon fibers, which are cheaper than more efficient aramid or boron fibers, oriented obliquely, for example at + and -45 ° by filament winding, and longitudinally at 0 °. by draping, the winding and draping operations are preferably alternated.
  • the drill bit 2 is finalized by bonding the end piece 7 in its lower end and rings 9 for rotation in the bearings P.
  • the spur 3 is essentially, but highly stressed in shear, which has led to design it in the form of a solid cylinder, with fibers oriented longitudinally.
  • a simple and economical way to manufacture it consists of compacting rods or rods in glass-pultruded resin composite, in a resin with high mechanical characteristics. An envelope is then produced by draping to obtain its final shape.
  • the spur 3 engages in a cylindrical cavity 10 formed in the body of the fin 1, FIG. 4.
  • a metal connection is provided to fix it to the fin, that is to say an end piece 11 glued to its lower end, keyed into a ring 12 inserted in the body of the fin 1.
  • This connection is visible in Figs. 4, 5.
  • the ring 12 has been given a square external shape in order to obtain good immobilization in the body of the fin 1 which may be syntactic foam in this area.
  • the fin 1 may essentially consist of an envelope made of sandwich type materials with a honeycomb core, or else of a machined honeycomb block covered with a composite envelope. glass-resin, or two half-shells that have just been bonded to a network of monolithic stiffeners, the filling material being syntactic foam, or even an assembly of glass-resin composite parts with also syntactic foam filling.
  • the fin 1 comprises, in addition to the box 4 serving for the connection with the wick 2, a plurality of boxes glued together, and the whole of which has a shape close to its final shape.
  • These boxes are arranged in such a way that the glue interfaces are stressed in shear.
  • These are advantageously machined foam blocks covered with a glass-resin composite envelope.
  • the foam used is for example a high density foam based on polyvinyl chloride.
  • the rudder comprises two superimposed upper boxes 13 and 14, glued by one of their sides to the assembly of a side face of the box 4 receiving the wick 2, FIG. 7, an intermediate box 15 glued under the box 14 and three juxtaposed lower boxes 16 to 18, two of which, 16 and 17, are glued by their upper face below the intermediate box 15.
  • the number and the arrangement of the boxes are determined based on the shape of the fin and how it is stressed.
  • the assembled boxes are then introduced into a mold where they are coated with a foam identified in 19, advantageously syntactic foam, covered with an envelope 20 of glass-resin composite.
  • This design of the fin 1 makes it possible to obtain excellent continuity in the structure and has the other advantage of using only simple and well mastered manufacturing techniques.
  • the invention which has just been described is directly applicable to the production of stabilizing rudders.
  • rudders for submarines it requires a simple adaptation when choosing the materials for the fin - more especially the foams - according to their characteristics of resistance to pressure.
  • the invention is of great interest in that it provides a very substantial weight gain, since it is greater than 70%, compared to current metal versions.
  • the gain is also real from the point of view of manufacturing cost, and especially from the point of view of maintenance, due to the virtual disappearance of metal parts, and consequently the risks of corrosion.

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Abstract

L'invention concerne des safrans fabriqués quasi-exclusivement en matériaux composites. Dans un safran selon l'invention, comportant un aileron (1) orientable autour d'une mèche, ces deux éléments étant en composites, la partie inférieure de la mèche a une section polygonale pour être engagée dans un caisson (4) de section correspondante faisant partie de la structure de l'aileron 1, de sorte qu'ils soient bloqués mutuellement en rotation. Le caisson (4) est assemblé au reste de la structure de l'aileron (1) par jonction sur la totalité d'au moins une de ses faces latérales. Dans une forme de réalisation préférée, l'aileron (1) a une structure formée par collage d'une pluralité de caissons (13 à 18 et 4). <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne des safrans en général : safrans de stabilisation pour navires de surface, safrans de direction, et safrans de plongée pour sous-marins. Dans tous les cas, il s'agit d'ailerons orientables à partir du navire par l'intermédiaire d'une mèche.
  • Actuellement, pour les navires au-delà d'un certain tonnage, les safrans sont entièrement métalliques. Ils comportent une ossature mécano-soudée sur laquelle est montée l'enveloppe hydrodynamique, obtenue par soudage de tôles préalablement formées à chaud. L'interface avec la mèche est une pièce massive réalisée par moulage, dont les surfaces sont usinées. La mèche, en acier, est forgée puis usinée.
  • Cette solution est onéreuse et met en oeuvre des procédés de fabrication pénibles, notamment le formage à chaud. D'autre part, elle aboutit à des produits très lourds, dans un domaine où le gain de poids est toujours intéressant.
  • Un objet de l'invention est de pallier ces inconvénients, soit de réduire sensiblement la masse de tels safrans et de rendre leur fabrication moins ouvrageuse en éliminant le formage à chaud, par l'uitlisation de matériaux composites.
  • Un autre objet important de l'invention est l'utilisation quasi-exclusive de matériaux composites pour la réalisation de ces safans, tant au niveau de l'aileron que de la mèche et de l'interface de liaison entre les deux, pour éviter notamment des associations structurelles métal-composite qui ne sont jamais sans inconvénients.
  • Dans ce contexte, un problème majeur a été celui de la liaison entre la mèche et l'aileron, qui est le siège d'efforts importants puisque c'est par elle que sont transmis les couples de rotation, et qui, pour des raisons pratiques, se doit d'être démontable.
  • Conformément à l'invention, la solution apportée consiste à prévoir dans la structure de l'aileron un caisson de réception de la partie inférieure de la mèche, leurs sections étant polygonales, par exemple hexagonales, pour assurer entre eux un blocage en rotation.
  • Ledit caisson de réception de la partie inférieure de la mèche est joint par la totalité d'au moins une de ses faces latérales au reste de la structure de l'aileron. Il est avantageusement en composite verre-résine.
  • Dans une forme de réalisation préférée, la structure de l'aileron comprend un assemblage de caissons distincts dont fait partie ledit caisson de réception de la partie inférieure de la mèche.
  • Cette dernière nécessite elle aussi une technique de fabrication particulière, du fait des importants efforts en torsion et en flexion auxquels elle est soumise.
  • Selon une caractéristique importante de l'invention, elle est réalisée par association de la technique d'enroulement filamentaire et de la technique de drapage. La première permet de donner une orientation oblique des fibres de renfort - par exemple à +45° et à -45° - par rapport à l'axe longitudinal de la mèche, et la deuxième une orientation à 0°. Il s'agit, de préférence, de fibres de carbone.
  • En plus de la mèche et de l'aileron, les safrans de direction comportent un aiguillot, lequel est soumis à d'importants efforts de cisaillement. De ce fait, il est avantageusement réalisé sous la forme générale d'un cylindre plein constitué de joncs en composite verre-résine pultrudé, compactés et liés par de la résine.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide des explications qui vont suivre et des dessins annexés, dans lesquels :
    • la Fig. 1 illustre un safran de direction du type dit à compensation monté sur un navire et présentant une liaison mèche-aileron, vue en coupe axiale, conforme à l'invention,
    • la Fig. 2 est une vue agrandie, également en coupe axiale, de la liaison mèche-aileron du safran de la Fig. 1,
    • la Fig. 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la Fig. 2,
    • la Fig. 4 est une vue agrandie en coupe axiale illustrant la liaison aiguillot-aileron du safran de la Fig. 1,
    • la Fig. 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la Fig. 4,
    • la Fig. 6 est une vue en coupe verticale d'une forme de réalisation préférée de l'aileron du safran de la Fig. 1, et
    • les Fig. 7 et 8 sont des vues agrandies en coupe, respectivement selon la ligne VII-VII et la ligne VIII-VIII de la Fig. 6.
  • A la Fig. 1, un safran de direction est représenté en place sur un navire dont seuls le fond F et la crosse C apparaissent de façon très schématique. Il s'agit d'un safran du type à compensation du fait que dans le bas de l'aileron 1 une partie de celui-ci se trouve de l'autre côté de l'axe de rotation X-X par rapport à sa partie principale. L'aileron 1 est suspendu et articulé par l'intermédiaire d'une mèche 2 et d'un aiguillot 3, tous deux axés sur X-X.
  • Conformément à l'invention, la quasi-totalité du safran, à savoir l'aileron 1, la mèche 2 et l'aiguillot 3, est réalisée en matériaux composites. Les seules pièces métalliques sont deux inserts de liaison permettant des modes de fixation classiques et des bagues rapportées sur la mèche 2 au niveau des paliers P.
  • Dans la version connue de ces safrans, entièrement métallique, la mèche est reliée à l'aileron par l'intermédiaire d'un moyeu. Elle est généralement engagée dans le moyeu par emmanchement conique, celui-ci étant soudé à l'ossature de l'aileron. Ce système de liaison est simple et n'induit pas de difficultés techniques particulières.
  • Par contre, dans le cadre de l'invention, il n'aurait pas été judicieux de transposer ce système du fait de sa non-adaptation aux caractéristiques des matériaux composites, et du fait également qu'il aurait induit des formes de pièces relativement complexes.
  • La difficulté, pour les inventeurs, a donc été de s'affranchir totalement de la technique connue pour trouver une solution optimale, eu égard à l'utilisation quasi-exclusive de matériaux composites.
  • Conformément à l'invention, la solution trouvée consiste en un caisson tubulaire 4 solidarisé avec le reste de la structure de l'aileron 1, de section polygonale, et de préférence hexagonale comme sur le dessin, Fig. 3, admettant la partie inférieure de la mèche 2 de section correspondante. Le blocage en rotation est donc assuré par la forme des sections, et parfait par adjonction d'une résine de calage en 5. Pour le blocage en translation, une bague métallique 6, Figs. 2 et 3, est collée à l'intérieur du caisson 4,et un embout 7 à l'extrémité inférieure de la mèche 2, l'embout 7 et la bague 6 étant assujettis l'un à l'autre par clavetage.
  • Le caisson 4 est avantageusement réalisé en composite verre-résine. Comme on peut le voir à la Fig. 1, il se prolonge nettement au-delà de l'extrémité inférieure de la mèche 2, en fait jusqu'à l'appendiceCa de la crosse C dans lequel tourillonne l'aiguillot 3. Pour permettre la mise en place de ce dernier au montage du safran sur le navire, le caisson 4 présente une trappe latérale 8, et est ouvert à son extrémité inférieure, ayant donc en fait une forme tubulaire.
  • Le fait d'allonger au maximum le caisson 4 procure l'avantage de disposer d'une surface d'autant plus importante pour sa jonction au reste de la structure de l'aileron 1. Dans une forme de réalisation préférentielle, cette jonction est réalisée par collage sur toute l'étendue d'une face latérale du caisson4. Dans un safran de forme différente tel q'un safran de stabilisation notamment, où le caisson 4 occupe une position intermédiaire dans la structure de l'aileron, on dispose bien entendu de deux faces latérales opposées du caisson 4 pour la jonction avec le reste de ladite structure.
  • La mèche 2 a également fait l'objet d'une recherche particulière, quant au problème de sa résistance en fonction des couples de torsion et des efforts en flexion très importants auxquels elle est soumise, et quant à la meilleure façon de la réaliser.
  • Il en a résulté une mèche creuse 2, obtenue en combinant deux techniques de mise en oeuvre de matériaux composites : l'enroulement filamentaire et le drapage, et en utilisant un mandrin dont la section évolue progressivement, dans une zone intermédiaire, de la forme circulaire à la forme polygonale. En matière de renforts, le choix a été arrêté sur des fibres de carbone, moins chères que des fibres d'aramide ou de bore plus performantes, orientées obliquement, par exemple à + et -45° par enroulement filamentaire, et longitudinalement à 0° par drapage, les opérations d'enroulement et de drapage étant de préférence alternées. Afin de pallier le risque de corrosion galvanique, il a été prévu de réaliser les plis extérieurs avec des fibres de verre.
  • Comme déjà mentionné, la mèche 2 est finalisée par collage de l'embout 7 dans son extrémité inférieure et de bagues 9 pour la rotation dans les paliers P.
  • L'aiguillot 3 est essentiellement, mais fortement sollicité en cisaillement, ce qui a conduit à le concevoir sous la forme d'un cylindre plein, avec des fibres orientées longitudinalement. Un moyen simple et économique de le fabriquer consiste en un compactage de baguettes ou joncs en composite verre-résine pultrudé, dans une résine à hautes caractéristiques mécaniques. On réalise ensuite une enveloppe par drapage pour obtenir sa forme finale.
  • L'aiguillot 3 s'engage dans une cavité cylindrique 10 ménagée dans le corps de l'aileron 1, Fig. 4. Comme pour la mèche 2, une liaison métallique est prévue pour le fixer à l'aileron, soit un embout 11 collé à son extrémité inférieure, se clavetant dans une bague 12 insérée dans le corps de l'aileron 1. Cette liaison est visible aux Figs. 4, 5. On y remarque que l'on a donné à la bague 12 une forme extérieure carrée afin d'obtenir une bonne immobilisation dans le corps de l'aileron 1 qui peut être de la mousse syntactique dans cette zone.
  • Un autre aspect important de l'invention réside dans la conception de la structure de l'aileron 1 qui doit avoir une résistance satisfaisante en compression et en flexion. L'aileron 1 peut être constitué, pour l'essentiel, d'une enveloppe en matériaux de type sandwich avec une âme en nid d'abeille, ou bien d'un bloc usiné en nid d'abeille recouvert d'une enveloppe en composite verre-résine, ou bien de deux demi-coquilles que l'on vient coller sur un réseau de raidisseurs monolithiques, le matériau de remplissage étant de la mousse syntactique, ou bien encore d'un assemblage de pièces en composites verre-résine avec également de la mousse syntactique de remplissage.
  • Toutefois, dans une forme de réalisation préférée, illustrée aux Figs. 6 à 8, l'aileron 1 comprend, en plus du caisson 4 servant à la liaison avec la mèche 2, une pluralité de caissons collés entre eux, et dont l'ensemble a une forme proche de sa forme finale. Ces caissons sont disposés de telle façon que les interfaces de colle soient sollicités en cisaillement. Ce sont avantageusement des blocs de mousse usinés recouverts d'une enveloppe en composite verre-résine. La mousse utilisée est par exemple une mousse de haute densité à base de Polychlorure de vinyle. Lorsque les caissons sont assemblés, on obtient une structure dans laquelle les parois adjacentes collées forment autant de raidisseurs. A la Fig. 6, le safran comprend deux caissons supérieurs superposés 13 et 14, collés par un de leurs côtés à l'ensemble d'une face latérale du caisson 4 recevant la mèche 2, Fig. 7, un caisson intermédiaire 15 collé sous le caisson 14 et trois caissons inférieurs juxtaposés 16 à 18, dont deux, 16 et 17, sont collés par leur face supérieure au dessous du caisson intermédiaire 15. Bien entendu, le nombre et la disposition des caissons sont déterminés en fonction de la forme de l'aileron et de la façon dont il est sollicité.
  • Pour obtenir la forme finale de l'aileron, les caissons assemblés sont ensuite introduit dans un moule où ils sont enrobés d'une mousse repérée en 19, avantageusement de la mousse syntactique, recouverte d'une enveloppe 20 en composite verre-résine.
  • Cette conception de l'aileron 1 permet d'obtenir une excellente continuité dans la structure et a comme autre avantage de ne faire appel qu'à des techniques de fabrication simples et bien maîtrisées.
  • L'invention qui vient d'être décrite est directement applicable à la réalisation de safrans de stabilisation. S'agissant de safrans pour sous-marins, elle nécessite une simple adaptation quand au choix des matériaux pour l'aileron - plus spécialement les mousses - en fonction de leurs caractéristiques de résistance à la pression. Notamment dans cette application aux sous-marins, l'invention est d'un grand intérêt en ce qu'elle procure un gain de poids très substantiel, puisque supérieur à 70 %, comparé aux versions métalliques actuelles. Le gain est également réel du point de vue du coût de fabrication, et surtout du point de vue de l'entretien, du fait de la quasi-disparition des pièces métalliques, et par conséquent des risques de corrosion.

Claims (18)

1) Safran comprenant un aileron (1) orientable autour d'une mèche (2), caractérisé en ce que l'aileron (1) et la mèche (2) sont en matériaux composites, et en ce que la partie inférieure de la mèche a une section polygonale pour être engagée dans un caisson (4) de section correspondante faisant partie de la structure de l'aileron (1) de sorte qu'ils soient bloqués mutuellement en rotation, le caisson (4) étant assemblé au reste de la structure de l'aileron (1) par jonction sur la totalité d'au moins une de ses faces latérales.
2) Safran selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure de la mèche (2) et le caisson (4) ont une section hexagonale.
3) Safran selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le caisson (4) est en composite verre-résine.
4) Safran selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mèche (2) est obtenue en combinant les techniques d'enroulement filamentaire et de drapage.
5) Safran selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mèche (2) comporte des fibres orientées à + et -45° et des fibres orientées à 0° par rapport à son axe longitudinal.
6) Safran selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mèche (2) comprend des fibres de carbone.
7) Safran selon la revendication 6, caractérisé en ce que les renforts des plis externes de la mèche (2) sont des fibres de verre.
8) Safran du type comportant en outre un aiguillot (3), caractérisé en ce que l'aiguillot (3) est également en matériau composite, constitué de joncs en composite verre-résine pultrudés, compactés et liés par de la résine.
9) Safran selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le caisson (4) destiné à recevoir l'extrémité inférieure de la mèche (2) fait partie d'une structure multi-caissons.
10) Safran selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits caissons sont réunis les uns aux autres par collage de leurs parois adjacentes, l'arrangement des caissons étant tel que les efforts principaux sur les interfaces de colle soient des efforts en cisaillement.
11) Safran selon la revendication 10, s'agissant d'un safran de direction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux caissons superposés (13, 14) collés entre eux, et collés chacun au caisson (4) de liaison avec la mèche (2) par une de leurs faces latérales.
12) Safran selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des caissons (16 à 18) juxtaposés, collés entre eux, et collés aux caissons supérieurs par au moins la face supérieure de l'un d'entre eux.
13) Safran selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend trois caissons supérieurs (13 à 15) superposés et trois caissons inférieurs (16 à 18) juxtaposés.
14) Safran selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que ladite structure multi-caissons est enrobée de mousse syntactique (19).
15) Safran selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enveloppe extérieure (20) en composite verr-résine.
16) Safran selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que les corps des caissons autres que le caisson (4) sont des blocs de mousse.
17) Safran selon la revendication 16, caractérisé en ce que la mousse constituant le corps des caissons est de la mousse de polychlorure de vinyle à haute densité.
18) Safran selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que lesdits blocs sont revêtus d'une enveloppe en composite verre-résine.
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