EP1870330A1 - Système de propulsion électrique de navire et navire ainsi équipé - Google Patents

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EP1870330A1
EP1870330A1 EP07110539A EP07110539A EP1870330A1 EP 1870330 A1 EP1870330 A1 EP 1870330A1 EP 07110539 A EP07110539 A EP 07110539A EP 07110539 A EP07110539 A EP 07110539A EP 1870330 A1 EP1870330 A1 EP 1870330A1
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ship
propeller
pods
pump
propulsion system
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Christian Gaudin
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STX France SA
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Aker Yards SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis
    • B63H2005/1258—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis with electric power transmission to propellers, i.e. with integrated electric propeller motors

Definitions

  • the present invention relates to an electric ship propulsion system and, more particularly, to a large ship propulsion system. It also relates to a ship so equipped.
  • Shipowners' request in terms of passenger ships, for a cruise ship function, for example, is to obtain larger and larger ships, in order to increase the number of passengers per cruise and, at the same time, time, offer them a maximum of cabins that have a sea view.
  • Propulsion propeller and hull girth problems are also encountered for vibration control, preventing good propulsive performance and low pulsation.
  • a propulsion ensured by a combination of several azimuth thrusters, also called “pods”, as opposed to propulsions by line of tree.
  • pod we mean a set of submerged propulsion, outside the hull of the ship and containing the engine propulsion.
  • Pods are complex products but developed enough to provide power up to 30 Mwatts. This solution has the advantage of fulfilling the steering function and the propulsion function by the use of steerable pods. In addition, the greater number of thrusters improves the redundancy of the system, in case of degraded operation by the loss of one of the propulsion elements.
  • the present invention relates to a ship propulsion system overcoming the drawbacks of the prior solutions, that is to say having a redundancy to ensure a minimum cruising speed and to obtain a power of propulsion with propellants standardized to a minimum and compact, at least in critical areas.
  • the combination power / diesel does not optimize redundancy of the system compared to a fully electric system.
  • the failure of a generator set forming part of a set of several generating sets constituting the ship's power supply network is not penalizing to continue to obtain the general operating power of the ship, because of Other generators in the network can provide the relay.
  • a failure of the diesel supply causes at least a temporary stopping of the thruster in relation to this power supply.
  • a fully electric power supply has the advantage of offering greater flexibility in the configuration of the ship, due to the possibility of placing the electric motors at a greater distance and at different levels. This is not the case for diesel engines, which are much more cumbersome.
  • the propulsion system of the central shaft line is, as shown in Figures 1A to 2B, consisting of a conventional propeller.
  • water-jet device that is to say a device installed inside the hull, consisting mainly of a duct water suction, a shaft-driven pump, a downstream rectifier, an accelerator nozzle and jet orientation and reversing devices.
  • the present invention therefore aims at an electric ship propulsion system, particularly large, comprising at least two side pods and a central shaft line.
  • the first great advantage of this configuration is the use of standard thrusters for pods and a shaft line, which is easily adapted to obtain the total power required.
  • the two lateral pods are found in conventional arrangements known and already applied.
  • the central shaft line poses potential problems with regard to the dimensions and the performances to be achieved.
  • a first level of generated problems is of vibratory type, which means that important vibrations are formed because of the disturbance of the wake by the skeg, ie by the prolongation of the keel of the ship at the level of the hull from the transom of the ship.
  • This problem is conventionally treated by wake regulating bulbs, as is practiced on ships with a line of trees such as, for example, on liquefied gas transport vessels. In this case, it is necessary to provide a complex boiler room, expensive and bulky.
  • a second type of generated problems concerns the power of propulsion to be achieved, in a compact volume to facilitate the integration of the latter in the central wake of the ship, and with a solution that can be standardized to the maximum so as not to unreasonably increase costs.
  • the present invention thus relates to an electric ship propulsion system comprising at least two rear side pods and comprising a shaft line provided centrally along the axis of the ship.
  • the propulsion of said shaft line being provided by a propeller pump.
  • the pump-propeller is constituted by a helix and a ring of flow orienting fins placed upstream of the propeller, a nozzle surrounding the helix / aileron crowns.
  • a pump-propeller-type propulsion makes it possible to overcome the problems of propeller dimensions by keeping at least a power equivalent to a conventional propeller and to avoid acoustic and vibratory disturbances by an orientation of the propeller. flow output of the pump-propeller, which avoids cavitation problems.
  • the presence of the flow orientator fins makes it possible to avoid the need to set up a regulating bulb for the orientation of the wake at the entry of the thruster. Instead, a simple and inexpensive piece such as a simple stern tube can be made around the axis of the shaft for central shaft propulsion.
  • the two side pods are two pods of the propeller pump type such as that described in the patent application. WO 2005/110840 .
  • this thruster ie the compactness, the high power and the suppression of cavitation phenomena, offer a very suitable solution for large vessels. They allow to have more freedom on the shape of the hull and to avoid any phenomenon of "slamming" (in French “tossage”), thanks to the immersion of the transom of the ship.
  • the two rear lateral pods are two pods that can be rotated 360 °.
  • the invention also relates to a ship equipped with an electric propulsion system as described above.
  • the play at the hull of the helix of the pump-propeller is of the order of 500 mm.
  • the nozzle of the central pump-propeller is connected to the hull of the ship, in particular with the aid of an arm, in order to ensure a recovery of effort or an additional maintenance of this propeller, if this one is away from the plane of the ship.
  • a propulsion system 1 is seen from below at the rear part of the ship.
  • This system 1 is installed beneath the hull of the transom 2, at the rear of the ship, and consists of two side thrusters 3 consisting of pump-propeller type pods, and a central propulsion shaft line 4, arranged according to the central axis 5, longitudinal, of the ship.
  • the central shaft line 4 consists of a pump-propeller 6 consisting of a nozzle 7 surrounding a propeller 8, flow-orientating fins 9 and a stern tube 10.
  • the central shaft line 4 is located behind the thin plane 11 of the ship, thin plane important because of the size of the ship and necessary for the landing of the ship.
  • Figures 1, 2 and 3 highlight the function of the tube 10 relative to the junction with the thin plane 11. Thus, the flow at the end of the thin plane 11 is reoriented along the stern tube 10 to enter the pump-propeller 6, without disturbing the wake.
  • FIG. 1 According to Figure 1 are shown the two lateral thrusters 3 disposed on either side of the central axis 5 of the ship, equidistant from the latter. They are located towards the rear of the ship. As mentioned above, they consist of pump-propeller-type pod thrusters, that is to say with a nozzle 12 surrounding a propeller 13 and flow-orientating fins 14 (see FIG. 3). These two lateral thrusters 3 work in water flow.
  • FIG. 2 is particularly visible the junction of the nozzle 7 surrounding the propeller pump 6 of the central propulsion 4, to the hull of the ship and more specifically to the transom 2 of the ship, via an arm 15.
  • This arm 15 allows a distribution of the central propulsion maintaining forces 4 which, in this configuration, is remote from the thin plane 11 of the ship.
  • Figure 3 is a three-dimensional view of the rear portion of a ship with a propulsion system according to the invention. This figure highlights the compactness of the system according to the invention, with respect to the rear dimensions of the ship, as well as the possibility of obtaining a relatively weak game with the hull with thrusters providing the necessary power to the ship and not creating acoustic disturbances.

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Abstract

La présente invention concerne notamment un système de propulsion électrique de navire comprenant deux pods latéraux (3) et une ligne d'arbre centrale (4). Il est remarquable en ce que la propulsion de ladite ligne d'arbre centrale (4) est assurée par une pompe hélice (6).

Description

  • La présente invention concerne un système de propulsion électrique de navire et, plus particulièrement, un système de propulsion pour navire de grande taille. Elle se rapporte également à un navire ainsi équipé.
  • La demande des armateurs, en terme de navire à passagers, pour une fonction navire de croisière, par exemple, est d'obtenir des navires de plus en plus grand en taille, afin d'augmenter le nombre de passagers par croisière et, en même temps, de leur proposer un maximum de cabines qui possèdent une vue sur mer.
  • Simultanément, il est demandé de réaliser des navires à passagers ayant une vitesse de croisière au moins égale à 20 noeuds.
  • Actuellement, les navires à passagers de type "Panamax" ou "Overpanamax", c'est à dire des navires capables ou non de transiter par le canal de Panama, ont généralement une propulsion électrique à deux lignes d'arbre, avec des moteurs ayant une puissance respective d'environ 20 MWatts. De telles puissances de propulsion par ligne d'arbre, combinées avec l'augmentation de la taille des navires ou de la vitesse de croisière, ne sont pas suffisantes pour répondre à la demande des armateurs.
  • De plus, vouloir augmenter la puissance par ligne d'arbre est de nature à poser des problèmes techniques relatifs à la surpuissance du moteur. On se trouve également confronté à des problèmes de taille d'hélice de propulsion et de jeu à la coque pour la maîtrise des vibrations, ce qui empêche un bon rendement propulsif et des pulsations faibles.
  • Par ailleurs, l'augmentation de la taille du système de propulsion va à l'encontre des limite s de tirant d'eau et de gabarit pour la propulsion, relativement aux profondeurs des ports ou des zones de transit.
  • Une autre demande forte des armateurs concerne la redondance du système de propulsion, afin d'assurer une vitesse minimum, par exemple de 20 noeuds, lors de la perte temporaire d'un des éléments de propulsion.
  • Sur des navires de fort tonnage, il a été réalisé, afin d'obtenir une puissance de propulsion suffisante et nécessaire, une propulsion assurée par une combinaison de plusieurs propulseurs azimutaux, encore appelés "pods", par opposition aux propulsions par ligne d'arbre. Par le terme "pod", on entend un ensemble de propulsion immergé, extérieur à la coque du navire et contenant la motorisation de la propulsion.
  • Les pods sont des produits complexes mais suffisamment développés pour fournir une puissance allant jusqu'à 30 Mwatts. Cette solution présente l'avantage de remplir la fonction de gouverne et la fonction de propulsion par l'utilisation de pods orientable s. De plus, le nombre plus important de propulseurs permet d'améliorer la redondance du système, en cas de fonctionnement dégradé par la perte d'un des éléments de propulsion.
  • Une configuration à 3 pods, à savoir deux disposés latéralement et un selon l'axe central longitudinal du navire, n'est pas une solution standardisable aisément. En effet, le pod "central" se situe dans le sillage du navire, de sorte que sa conception est très complexe et nécessite de grandes dimensions.
  • Aussi, pour augmenter la puissance globale de la propulsion, on passe généralement à une configuration à quatre pods, pour assurer la puissance et la redondance nécessaire du système. Cependant, ces réalisations présentent l'inconvénient de se positionner dans la limite acceptable de gabarit et de tirant d'eau des navires de grandes dimensions. Les deux pods placés les plus vers l'avant du navire présentent ainsi un risque important de chocs et de détérioration.
  • La présente invention a pour objet un système de propulsion de navire palliant les inconvénients des solutions antérieures, c'est-à-dire possédant une redondance permettant d'assurer une vitesse minimum de croisière et permettant d'obtenir une puissance de propulsion avec des propulseurs standardisés au maximum et compacts, au moins dans les zones critiques.
  • Elle a plus particulièrement pour but de proposer un système de propulsion de navire, notamment de grandes dimensions, comprenant deux pods latéraux et une ligne d'arbre centrale.
  • Il est connu des demandes de brevets EP 1 329 379 et US 2005/0164574 , un système de propulsion pour navires constitué d'une ligne d'arbre centrale assurant la propulsion principale et de deux pods latéraux. La propulsion de la ligne d'arbre centrale est assurée par une alimentation diesel, associée avec une hélice à pâles orientables, afin de répondre à des contraintes de manoeuvrabilité. L'alimentation des pods se fait électriquement.
  • Cependant, la combinaison alimentation électrique/diesel ne permet pas d'optimiser une redondance du système par rapport à un système entièrement électrique.
  • En effet, la panne d'un groupe électrogène faisant partie d'un ensemble de plusieurs groupes électrogènes constituant le réseau d'alimentation électrique du navire, n'est pas pénalisante pour continuer à obtenir la puissance générale de fonctionnement du navire, car d'autres groupes électrogènes du réseau peuvent assurer le relais. Par contre, une panne de l'alimentation diesel entraîne l'arrêt au moins temporaire du propulseur en relation avec cette alimentation.
  • De plus, une alimentation entièrement électrique présente l'avantage d'offrir une plus grande flexibilité dans la configuration du navire, du fait de la possibilité de placer les moteurs électriques à une plus grande distance et à différents niveaux. Cela n'est pas le cas des moteurs diesel, qui sont beaucoup plus encombrants.
  • On décrit par ailleurs dans le document WO-A-03/066428 un système de propulsion pour navire comprenant une ligne d'arbre centrale et deux pods latéraux arrières.
  • Le système de propulsion de la ligne d'arbre central est, comme le montrent les figures 1A à 2B, constitué d'une hélice classique.
  • Quant à la forme de réalisation des figures 3A et 3B, on a affaire à un dispositif dit "water-jet device", c'est-à-dire un dispositif installé à l'intérieur de la coque, constitué principalement d'un conduit d'aspiration d'eau, d'une pompe entraînée par un arbre, d'un redresseur situé en aval, d'une tuyère accélératrice et de dispositifs d'orientation et de renversement de jet.
  • La présente invention vise donc un système de propulsion électrique de navire, notamment de grandes dimensions, comprenant au moins deux pods latéraux et une ligne d'arbre centrale.
  • Le premier grand avantage de cette configuration est l'utilisation de propulseurs standards pour les pods et d'une ligne d'arbre, qui est aisément adaptée pour l'obtention de la puissance totale demandée.
  • Les deux pods latéraux se retrouvent dans des dispositions classiques connues et déjà appliquées.
  • Par contre, la ligne d'arbre centrale pose potentiellement des problèmes au regard des dimensions et des performances à atteindre.
  • Un premier niveau de problèmes générés est de type vibratoire, ce qui signifie que des vibrations important es sont formées du fait de la perturbation du sillage par le skeg, c'est à dire par le prolongement de la quille du navire au niveau de la carène du tableau arrière du navire.
  • Ce problème est traité classiquement par des bulbes régulateurs de sillage, comme cela est pratiqué sur les navires à une ligne d'arbre tels que, par exemple, sur les navires de transports de gaz liquéfié. Dans ce cas, il est nécessaire de prévoir une pièce chaudronnée complexe, coûteuse et volumineuse.
  • Un second type de problèmes générés concerne la puissance de propulsion à atteindre, dans un volume compact pour faciliter l'intégration de celle-ci dans le sillage central du navire, et avec une solution standardisable au maximum pour ne pas augmenter déraisonnablement les coûts.
  • Comme dit plus haut, la présente invention a ainsi pour objet un système de propulsion électrique de navire comprenant au moins deux pods latéraux arrières et comprenant une ligne d'arbre prévue de manière centrale selon l'axe du navire.
  • Selon l'invention, la propulsion de ladite ligne d'arbre étant assurée par une pompe hélice.
  • Avantageusement, la pompe-hélice est constituée d'une hélice et d'une couronne d'ailerons orienteurs de flux placés en amont de l'hélice, une tuyère entourant l'ensemble hélice /couronnes d'ailerons.
  • De cette manière, la présence d'une propulsion de type pompe-hélice permet de pallier les problèmes de dimensions de l'hélice en gardant au minimum une puissance équivalente à une hélice classique et d'éviter les perturbations acoustique et vibratoire par une orientation du flux en sortie de la pompe-hélice, ce qui permet d'éviter les problèmes de cavitations.
  • La présence des ailerons orienteurs de flux, permet d'éviter la nécessité de mettre en place un bulbe régulateur pour l'orientation du sillage en entrée du propulseur. En lieu et place, on peut réaliser une pièce simple et peu coûteuse telle qu'un simple tube d'étambot autour de l'axe de l'arbre pour une propulsion à ligne d'arbre centrale.
  • Il 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 meilleur rendement qu'avec une hélice classique tout en réduisant les perturbations acoustiques. En effet, la pompe-hélice travaille en débit de liquide, alors qu'une hélice classique travaille en poussée de liquide.
  • Selon une réalisation préférée de l'invention, les deux pods latéraux sont deux pods de type pompe hélice tels que celui décrit dans la demande de brevet WO 2005/110840 . Ainsi, tous les avantages de ce propulseur, c'est à dire la compacité, la puissance élevée et la suppression des phénomènes de cavitations, offrent une solution très adaptée aux navires de grandes dimensions. Ils permettent ainsi d'avoir plus de liberté sur la forme de la carène et d'éviter tout phénomène de "slamming" (en français "tossage"), grâce à l'immersion du tableau arrière du navire.
  • Selon une réalisation de l'invention, les deux pods latéraux arrières sont deux pods orientables à 360°.
  • L'invention se rapporte également à un navire équipé d'un système de propulsion électrique tel décrit ci-dessus.
  • Selon un mode de réalisation, le jeu à la coque de l'hélice de la pompe-hélice est de l'ordre de 500 mm.
  • Avantageusement, la tuyère de la pompe-hélice centrale est reliée à la coque du navire, en particulier à l'aide d'un bras, afin d'assurer une reprise d'effort ou un maintien supplémentaire de ce propulseur, si celui-ci est éloigné du plan du navire.
  • La lecture de la description ci-après aidera à la compréhension de l'invention. Cette description, donnée uniquement à titre d'exemple, est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 montre de manière schématique en vue de dessous d'un système de propulsion selon l'invention,
    • la figure 2 montre une vue longitudinale d'une ligne d'arbre centrale selon l'invention,
    • la figure 3 est une vue tridimensionnelle de la partie arrière d'un navire, équipée du système de propulsion selon l'invention.
  • Sur la figure 1, un système de propulsion 1 selon l'invention est vu de dessous au niveau de la partie arrière du navire. Ce système 1 est installé sous la carène du tableau arrière 2, en partie arrière du navire, et est constitué de deux propulseurs latéraux 3 constitués de pod s de type pompe-hélice, et d'une propulsion centrale à ligne d'arbre 4, disposé selon l'axe central 5, longitudinal,du navire.
  • La ligne d'arbre centrale 4 est constituée d'une pompe-hélice 6 constituée d'une tuyère 7 entourant une hélice 8, d'ailerons orienteurs de flux 9 et d'un tube d'étambot 10.
  • La ligne d'arbre centrale 4 est située en arrière du plan mince 11 du navire, plan mince important du fait de la taille du navire et nécessaire pour l'attinage du navire. Les figures 1, 2 et 3 mettent en évidence la fonction du tube 10 par rapport à la jonction avec le plan mince 11. Ainsi, le flux en sortie du plan mince 11 est réorienté le long du tube d'étambot 10 pour pénétrer dans la pompe-hélice 6, sans perturbation du sillage.
  • Selon la figure 1 sont représentées les deux propulseurs latéraux 3 disposés de part et d'autre de l'axe central 5 du navire, à équidistance de ce dernier. Ils sont situés plutôt vers l'arrière du navire. Comme dit plus haut, ils sont constitués de propulseurs de pods de type pompe-hélice, c'est à dire avec une tuyère 12 entourant une hélice 13 et des ailerons orienteurs de flux 14, (voir la figure 3). Ces deux propulseurs latéraux 3 travaillent en débit d'eau.
  • A la figure 2 est particulièrement visible la jonction de la tuyère 7 entourant la pompe-hélice 6 de la propulsion centrale 4, à la coque du navire et plus précisément au tableau arrière 2 du navire, par l'intermédiaire d'un bras 15. Ce bras 15 permet une répartition des efforts de maintien de la propulsion centrale 4 qui, dans cette configuration, est éloignée du plan mince 11 du navire.
  • La figure 3 est une vue tridimensionnelle de la partie arrière d'un navire avec un système de propulsion selon l'invention. Cette figure met en évidence la compacité du système selon l'invention, par rapport aux dimensions arrière du navire, ainsi que la possibilité d'obtenir un jeu à la coque relativement faible avec des propulseurs fournissant la puissance nécessaire au navire et ne créant pas de perturbations acoustiques.
  • L'invention ne se limite pas aux seules représentations proposées ci-dessus, elle s'étend à toutes autres variantes restant dans le cadre des revendications.

Claims (7)

  1. Système de propulsion électrique de navire comprenant au moins deux pods latéraux arrières (3) et une ligne d'arbre (4) prévue de manière centrale selon l'axe (5) du navire, caractérisé en ce que la propulsion de la ligne d'arbre centrale (4) est assurée par une pompe hélice (6).
  2. Système de propulsion électrique de navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe-hélice (6) est constituée d'une hélice (8) et d'une couronne d'ailerons orienteurs de flux (9) placés en amont de l'hélice (8), une tuyère (7) entourant l'ensemble hélice (8)/couronnes d'ailerons (9).
  3. Système de propulsion électrique de navire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux pods latéraux arrières (3) sont deux pods de type pompe hélice.
  4. Système de propulsion électrique de navire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux pods latéraux (3) arrières sont deux pods orientables à 360°.
  5. Navire équipé d'un système de propulsion électrique selon l'une des revendications 1 à 4.
  6. Navire selon la revendication 4, caractérisé en ce que le jeu à la coque de l'hélice (8) de la pompe-hélice (6) est de l'ordre de 500 mm.
  7. Navire selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la tuyère (7) de la pompe hélice (6) centrale est relié à la coque par un bras (15) de reprise d'effort.
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