EP3078584A1 - Procede et systeme pour modifier la propulsion d'un navire - Google Patents

Procede et systeme pour modifier la propulsion d'un navire Download PDF

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EP3078584A1
EP3078584A1 EP16164433.1A EP16164433A EP3078584A1 EP 3078584 A1 EP3078584 A1 EP 3078584A1 EP 16164433 A EP16164433 A EP 16164433A EP 3078584 A1 EP3078584 A1 EP 3078584A1
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EP
European Patent Office
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motor
shaft
speed
new
activated
Prior art date
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EP16164433.1A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP3078584B1 (fr
Inventor
Sebastien Canavese
Pierrick Delaunay
Jean-Eudes Roverc'h
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Original Assignee
Individual
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Publication of EP3078584B1 publication Critical patent/EP3078584B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H3/00—Propeller-blade pitch changing
    • B63H3/10—Propeller-blade pitch changing characterised by having pitch control conjoint with propulsion plant control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/02—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with mechanical gearing
    • B63H23/10—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with mechanical gearing for transmitting drive from more than one propulsion power unit

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for modifying the propulsion of a ship.
  • Ships are usually provided with one or more shaft lines for propulsion.
  • the shaft line comprises a propeller 1 whose pitch is variable and which is integral with a propeller shaft 2.
  • the propeller 1 is associated with a variator 3 which allows to vary its pitch so that, in rotation, the modification of said pitch causes a modification of the torque on the propeller shaft 2.
  • Two internal combustion engines 4 and 5 for example supercharged diesel engines, are also installed on the shaft line. These engines 4, 5 are identical and are dimensioned so as to ensure the propulsion of the ship alone. These supercharged engines 4, 5 are initially provided for operation at nominal power and at a constant speed of rotation. They each comprise a motor shaft, respectively 40 and 50.
  • a speed regulator 41, 51 is associated with each of the motors 4, 5.
  • Each speed regulator 41, 51 makes it possible to maintain the speed of rotation of the motor shaft 40, 50 of the motor 4, with which it is associated. At this rotational speed corresponds a command setpoint.
  • a gearbox 6 is adapted to modify the speed ratio and the torque between each drive shaft 40, 50 and the propeller shaft 2. It allows for example to reduce by five times the rotational speed of the motor shafts 40, 50 and thus to increase five times the torque on the propeller shaft 2.
  • This gear 6 generally comprises gears which bubble in lubricating oil.
  • the mechanical coupling of each drive shaft 40, 50 to the gearbox 6 is achieved by means of disengageable couplings 42, 52.
  • a coupled alternator 7 (or alternating-current electrical generator) makes it possible to supply electrical energy P e to the ship when said alternator is coupled to at least one of the motor shafts 40 or 50, via the gearbox 6.
  • the frequency the generated current depends directly on the speed of rotation of said shaft (s) engine (s).
  • the electrical energy P e can also be provided by one or more generators 8 when the latter are activated.
  • An electronic management unit Uc manages the operation of the tree line.
  • This electronic management unit comprises one or more processors or microprocessors and one or more memories in which one or more computer programs are recorded whose instructions, when executed by the processor, enable the functionalities described further in the description to be realized.
  • the management unit Uc is subdivided into three subunits respectively U C1 , U C2 , and U C3 . These subunits are usually physically separated from one another and are autonomous. However, they can be physically grouped together within the same unit.
  • the subunit U C1 manages the load of the motors 4, 5.
  • the "load” is the ratio between the actual work delivered at a certain engine speed on the maximum work allowed at the same engine speed. Since the work of a motor corresponds to the torque on a turn, we can say that the load corresponds to the ratio of the actual torque, to the maximum torque. The charge therefore has no unit and is expressed as a percentage.
  • the load is associated with the resistant part which corresponds to the propeller 1 and consequently to the resistant torque as well as to the pitch of the helix. Specifically, the load C h determines the value of the resisting torque induced by the propeller 1 on the propeller shaft 2, following the setting of its pitch, which is compensated by the engine torque C delivered by the motor shafts 40, 50 .
  • the subunit U C1 transmits to the drive 3, a command setpoint S p which adjusts the pitch of the helix 1 to an initial value.
  • This initial value depends on a setpoint S pl given by a lever 9, which lever is actuated manually from the ship's piloting bridge.
  • This instruction S p1 is for example between [0; +10] when the ship is sailing forward and between [0; -10] when navigating in reverse.
  • the load limit setpoint S pc corresponds to a pitch limit value of the helix 1 applied to the requested step setpoint S pl .
  • the charge limit setpoint (S pc ) is generally set at a value close to 80% to prevent the motors 4 or 5 from exceeding 80% of the maximum torque (C 1max ) and the maximum power (P 1max ), settings suitable for prolonged use.
  • the load limit reference values S pc are generally recommended by the manufacturer, but can be adjusted manually by the user, between 0% and 110%, in particular depending on the navigation conditions. For example, in case of severe damage (waterway, fire, ...), the load limit setpoint can be set to 110%.
  • the gateway actuates the lever 9 to request a maximum step of "10" (on a scale of 0 to 10), and a load limit of 80% is applied (setpoint S pc )
  • the unit U C1 sends a setpoint S p such that the variator 3 sets the pitch of the helix at a value corresponding to 80% of the maximum available torque (C 1max ), or the maximum power (P 1max ) available if These are motors with constant rotation speed.
  • the subunits U C2 and U C3 manage the rotational speeds respectively of the motors 4 and 5. They transmit to the speed regulators 41, 51 control commands, respectively S ⁇ , which instructions maintain the speed of rotation of the shaft corresponding motor, respectively 40, 50, at a nominal speed of rotation ⁇ n .
  • S ⁇ boy Wut ⁇ not where "g" is a transfer function.
  • the nominal speed of rotation ⁇ n is predefined by the manufacturer, as explained further in the description.
  • the motors 4, 5 alone deliver the propulsive power P M via the propeller shaft 2, as well as the electrical power P e via the coupled alternator 7. It is also possible to activate only one of the two motors 4 or 5, the other being deactivated and uncoupled from the gearbox 6. In this mode, the generator (s) 8 are deactivated.
  • the rotational speed ⁇ n of the so-called nominal motor shafts 40 and 50 must remain constant in order to produce the edge current with a given frequency. Indeed, the coupled alternator 7 generates a current whose frequency depends directly on the speed of rotation of the drive shaft 50. It is essential to maintain constant the frequency of the current (+/- 1Hz), at the risk of altering the electrical appliances served.
  • the nominal speed ⁇ n of rotation of the motors 4 and 5 is for example 79 rad / s.
  • the motors 4, 5 each deliver a power which varies according to the load Ch 1 of the propeller 1 ( figure 3a ), as well as the load of the electrical network, until a nominal power P 1n is generally set at 80% of the maximum power P 1max , according to the manufacturers.
  • the electrical power P e is supplied exclusively by the generator (s) 8, the coupled alternator 7 being deactivated.
  • the motors 4, 5 operate at constant nominal speed ⁇ n .
  • the figure 3a is a diagram on which the driving power P M available on the propeller shaft 2 corresponds to the left ordinate, and the rotational speed ⁇ of the motor shafts 40, 50 corresponds to the abscissa, it being understood that this rotation speed ⁇ is directly proportional to the speed of rotation of the propeller shaft 2.
  • the curves in axial lines are iso-charge curves for determining the charge C h on the propeller shaft 2. It is recalled here that this charge C h is a percentage corresponding to the resisting torque induced by the propeller 1 following the setting of its pitch, compensated by the torque C delivered by the motor shafts 40, 50 (which is applied the reduction coefficient induced by the gear 6).
  • the curves in full line are iso-torque lines for determining the engine torque C on the motor shafts 40, 50.
  • the ship operates with a single engine 4 or 5.
  • the nominal rotation speed ⁇ n (ex: about 79 rad / s)
  • the nominal driving power developed by this engine is equal to P 1n and the speed of the vessel is equal to V 1n (ex: about 16 knots).
  • the nominal power P 1n (ex: about 3900 kW) corresponding to about 80% of the maximum power P 1max (ex: about 4900 KW).
  • the nominal motor torque C 1n (ex: about 240 kN.m on the propeller shaft 2) corresponds to the resistive torque of the nominal load C h1n of 80% (the iso-torque and iso-load curves meet at this point 1 n).
  • the ship still operates with a single engine 4 or 5.
  • the maximum driving power developed by this engine is equal to P 1max ( ex: about 4900 kW) and the speed of the ship increases from V 1n to V 1max (ex: about 18.2 knots).
  • the maximum motor torque C 1max (ex: approximately 315 kN.m on the propeller shaft 2) corresponds to the load torque of the maximum load C h1max of 100% (the iso-torque and iso-load curves meet at this point 1 max ).
  • the ship At operating point 2 n the ship is operating with both engines 4 and 5 activated. At the nominal rotation speed ⁇ n , the load C h2n is increased.
  • the driving torque C 2n (ex: approximately 480 kN.m on the propeller shaft 2) corresponds to the load torque C h2n (the iso-torque and iso-load curves meet at this point 2).
  • This propulsive mode allows operation on one or two motors per shaft line.
  • the fact of having a single motor activated by line of tree is economic, since the consumption per mile is interesting, but the propulsive efficiency (directly related to the speed V of the ship) is degraded; the propeller 1 not working in its efficient range of use.
  • the power of the engines 4, 5 can then be fully used for the propulsion of the ship.
  • the electrical power P e is supplied exclusively by the generator or generators 8. Indeed, since the rotational speed ⁇ of the motor shafts 40, 50 varies and the frequency of the generated current must remain constant, the alternator coupled 7 must be disabled.
  • This mode is interesting for the laps and transients of the ship. This results in a better acceleration of the ship as well that an optimization of the pitch of the propeller 1, by favoring the torque C delivered by the motor shafts 40, 50 rather than their rotational speed ⁇ .
  • the design of the coupled alternator 7, and in particular its winding, derives directly from the nominal speed of rotation ⁇ n of the motor shafts 40, 50, since the frequency of the current generated by said alternator must remain constant (for example: 50 Hz or 60 Hz, +/- 1 Hz).
  • the nominal speed ⁇ n of the motor shafts 40, 50 is therefore determined at the ship's construction, and must be maintained at a constant value in generator mode, so that the coupled alternator 7 can supply an electric current with a frequency without variation. .
  • a variation of +/- 1 Hz is tolerated, ie an error of +/- 2%.
  • the speed regulators 41, 51 via the U C2 and U C3 management subunits, therefore maintain the nominal rotational speed ⁇ n of the motor shafts 40, 50 and indirectly integrate the load (ie that is to say the torque induced by the propeller 1) by acting on the fuel injection in the motors 4, 5, to maintain this nominal speed.
  • the rotational speed of the motor shafts 40, 50 is controlled by means of speed sensors 43, 53 installed on said shafts.
  • the rotational speed of the motor shaft 40 is always constant and equal to the nominal speed ⁇ n
  • a single motor for example the motor 4
  • an object of the invention is to improve the efficiency of the propulsion mode in the most economical case, that is to say with a single motor activated by shaft line.
  • BE 677.295 a system to limit the propulsive performance of the vessel.
  • This system makes it possible to treat an extreme case where, the propeller being adjusted with a view to the maximum speed, which corresponds to the maximum power, one must at the same time absorb an additional load of the on-board electrical network. Since the ship's diesel engines are not able to absorb the overload, the speed of the propeller shaft inevitably decreases.
  • the BBC document recommends to ensure, during such extreme loads, that the angle of attack of the ship's propeller changes until the nominal rotational speed is restored.
  • the solution recommended in this document is to reduce the angle of attack of the propeller (and thus reduce the torque on the propeller shaft) in order to relieve the diesel engines of the ship.
  • the power decreases thanks to this system, in order to keep the speed of rotation of the diesel engines constant. This system can not under any circumstances make it possible to increase the efficiency of the propulsion mode of the ship, especially with a single engine activated by line of shaft.
  • the settings of the new propeller pitch and the new rotational speed of the motor shaft are made so that the power developed by the activated motor is maintained at its initial value, or at a value close to this initial value. , and that the ship is sailing at a new cruising speed higher than the initial cruising speed.
  • the available torque increases when the power is divided by 2, which makes it possible to optimize the efficiency of the variable pitch propeller.
  • the speed of the ship then increases significantly while the fuel consumption remains the same as that of a single engine at nominal speed in propulsion mode.
  • An increase in vessel speed of 4% with equivalent fuel consumption was found, or a fuel saving of up to 15% with an equivalent average navigation speed.
  • the method that is the subject of the invention therefore makes it possible to have a new, interesting navigation speed, while retaining the most interesting propulsion configuration (propulsion mode), with a limited consumption of fuel.
  • the shaft line incorporates two motors 4 and 5.
  • These are, for example, supercharged diesel engines of the brand W ⁇ RTSILA®. They normally operate at a constant power at about 80% of their maximum power.
  • the initial power P 1n developed by the motor 4 as a function of the initial value of the pitch of the propeller 1 (corresponding to the load C h1n ), and the nominal speed ⁇ n of rotation of the motor shaft 40, generates an initial cruise speed V 1n the ship.
  • the power P 1n is about 3900 kW
  • the torque C 1n on the propeller shaft 2 is 240 kN.m (C h1 )
  • the speed V 1n is then about 16 knots .
  • the deactivation of the coupled alternator 7, the activation of the generator set (s) 8, and the deactivation and / or disengagement of the engine 5 are initiated by control instructions issued from the management unit Uc. These commands are in particular issued in response to the receipt of a command instruction, generated from a control board 100 associated with the management unit Uc and more particularly to the subunits U C1 , U C2 , U C3 .
  • This plate 100 includes various buttons including the control of the motors (100a), the control of the generator or generators 8 (100b), the control of energy management (100c), etc. In practice, this plate 100 is an existing plate, installed next to the lever 9, on the bridge and / or in the machine room. The control and reading of this plate 100 can be materialized by "physical" actions (buttons, dials) or "computer” via a supervision.
  • the second phase can be initiated.
  • new control commands are generated to modify the pitch of the propeller 1 and change the rotational speed ⁇ of the motor shaft 40 of the activated motor 4.
  • These new command commands can be generated temporarily during the the vessel's navigation period, for example while the ship sails off at cruising speed, after leaving the port of embarkation, and before arriving at the port of landing.
  • the new pitch of the propeller 1 is such that the torque (or load) on the propeller shaft 2 increases.
  • the load on the propeller shaft 2 increases by a value C h1n to a value C h1' , such that C h1 ' > C h1n .
  • the new rotational speed ⁇ 'of the motor shaft 40 is lower than the nominal speed ⁇ n .
  • the settings of the new propeller pitch (charge C h1 ' ) and the new rotational speed ⁇ ' of the motor shaft 40 are performed in such a way that the power developed by the activated motor 4 is maintained at its initial value. P 1n , or at a value close to this initial value.
  • close is meant that the power developed by the activated motor 4 corresponds to +/- 10% of the initial power P 1n .
  • the load C h1 ' then reaches a value greater than the maximum load C h1max on a single motor with a nominal rotation speed ⁇ n .
  • the available engine torque C 1 ' remains lower than the maximum torque C 1max on a single engine with a nominal rotation speed ⁇ n . This is because the shape of the iso-torque curve is linear on the diagram of the figure 3a , while the shape of the iso-charge curve is parabolic on said diagram.
  • the activated motor 4 continues to operate normally at the nominal power P 1n that remains at 80% of its maximum power P 1max , the engine torque C 1 ' reaches approximately 90% of the maximum torque C 1max and the load C h1' exceeds 100%.
  • the pitch of propeller 1 is then higher with power and consumption identical to those at 80% load.
  • the ship In these new sailing conditions, the ship is sailing at a new cruising speed V 1 ' which is greater than the initial cruising speed V 1n , for example 16 knots. This speed V 1 ' is then for example 17 knots when the power P 1n remains equal to about 3900 kW, the torque on the propeller shaft (C 1' ) increasing for example to 285 kN.m (against 240 kN .m, on the propeller shaft 2, for C 1n ).
  • a measuring apparatus 20 for example a torsiometer installed on the propeller shaft 2, makes it possible to measure the driving power P M , the rotation speed ⁇ 'and the load C h1' , these values being able to be displayed on a screen 21 accessible from a machine control room.
  • the speed V 1 ' of the ship is easily determinable by the on-board navigation instruments and in particular by GPS systems.
  • the settings of the new propeller pitch 1 and the new rotational speed of the motor shaft 40 are initiated by control instructions issued from an AP programmable logic controller integrated in the management unit Uc. These commands are in particular issued in response to the receipt of a command instruction, generated from a control board 10 connected to the PLC PLC.
  • this programmable PLC AP comprises a memory in which are stored one or more computer programs whose instructions allow to define the value of the new pitch of the helix 1 and the value of the new rotational speed of the motor shaft 40 of the activated motor 4, so that the power developed by said activated motor is maintained at its initial value P 1n or at a value close thereto.
  • access to its memory is advantageously protected by an access code. An unauthorized user can not intervene on the PLC.
  • the power supply of the management unit Uc including that of the PLC PLC, is provided by the emergency power supply network powered by the generator (s) 8 or another dedicated generator called “emergency”. Otherwise, by an autonomous system comprising one or more backup electric batteries provided to supply the Uc management unit in case of power failure.
  • the initial set of rotational speed ⁇ n of the motor 4 and the load limit setpoint S pc are no longer used. It is the programmable PLC AP which sends a modified load limit setpoint S pc ' and a modified speed setpoint ⁇ ', which setpoints are processed respectively by the subunit U C1 and the subunit U C2 .
  • the subunit U C3 is not necessarily used to the extent that the motor 5 is deactivated and / or disengaged.
  • the new charge limit setpoint S pc ' is greater than the initial setpoint S pc .
  • Subunit U C1 manages the load of the motors 4, 5. For example, if the initial set S PC is 80%, the new setpoint S pc 'issued by the programmable controller PLC will then be greater than 100%.
  • the gateway actuates the lever 9 to request a maximum step of "10" (on a scale of 0 to 10)
  • the subunit U C1 sends a new instruction S p ' such that the drive 3 sets the pitch of the propeller to "8" (against "6.5” with the initial command setpoint S p ). Therefore, for the same instruction to the lever 9, the pitch of the propeller 1 increases, thereby causing an increase in the load and the torque on the propeller shaft 2 and on the drive shaft 40.
  • figures 3a and 3b the load increases from the value C h1n to the value C h1 ' and the torque increases from the value C 1n to the value C 1' .
  • the PLC AP also transmits the new speed setpoint ⁇ 'to the subunit U C2 which manages the rotational speeds of the activated motor 4.
  • the initial setpoints of load limit S pc and rated speed of rotation ⁇ n are no longer used, the PLC AP sending modified instructions upstream U C1 subunits and U C2 .
  • the programmable logic controller AP transmits the new charge limit setpoint S pc ' and the new speed ⁇ ' so that, after processing by said subunits U C1 and U C2 , the power developed by the engine 4 be maintained at its initial value P 1n .
  • the subunit U C2 determines a new operating point of the motor 4 (operating point 1 'on the figures 3a and 3b ) regulating the fuel injection.
  • the subunit U C2 directly manages the reduction of speed ( ⁇ n ⁇ ⁇ ') and indirectly the increase of the load (C h1n ⁇ C h1' ) by keeping the new speed ⁇ 'constant.
  • the new load limit setpoint S pc ' and the new rotational speed ⁇ ' are calculated so that the new torque C 1 ' generated by the load C h1' does not exceed the maximum torque C 1max set by the manufacturer.
  • the new instructions S pc and ⁇ 'therefore have limits. As a precaution, these limits are such that the new generated torque C 1 ' remains less than 95% of the maximum permissible torque C 1max . For example, on figures 3a and 3b if C 1max is the maximum permissible torque, the values of S pc ' and ⁇ ' will be calculated so that: C 1 ' ⁇ 95% C 1max .
  • the power P 1n remains the same because the quantity of fuel injected into the engine 4 increases with each cycle (because of the increase in the load: C h1n ⁇ C h1 ' ), but the speed of rotation of the motor shaft 40 decreases ( ⁇ n ⁇ ⁇ ').
  • the system which is the subject of the invention thus makes it possible to create a new operating point (operating point 1 'on the figures 3a and 3b ) and to obtain thus a load C h1 ' much greater than the initial load C h1n (more than 100%), while maintaining a constant power and a reasonable engine torque C 1' (C 1 ' less than 95% C 1max ).
  • a safety protocol makes it possible to reduce the helical pitch 1 to its initial value and thus the torque - or load - to its initial value (C h1 ' ⁇ C h1n ). It also makes it possible to reduce the rotational speed ⁇ 'of the motor shaft 40 to the nominal rotation speed ⁇ n .
  • the system which is the subject of the invention can be controlled by means of the plate 10 schematized on the figure 2 .
  • the internal combustion engines 4, 5 and the propeller shaft 2 are located in a machine room.
  • the plate 10 can be installed locally directly in the engine room, or remotely, in a cockpit of the ship, which cockpit is distant from said engine room.
  • the plate 10 has a member 10a, for example of the push button type, which when activated, allows to generate the instruction automatically initiating the adjustment of the new pitch of the propeller and the new speed of rotation ⁇ 'of the motor shaft 40.
  • the plate 10 also has a member 10b adapted to return the system to "zero" by generating an instruction automatically reducing the pitch of the helix to its initial value, and the speed of rotation ⁇ 'of the motor shaft 40 at the nominal speed ⁇ n .
  • step 1 If the Safety Chain is validated and the user requests to modify the initial instructions of pitch and speed of rotation of the shaft motor (transition CDS.DMCI), then step 1 is activated. If on the other hand a fault does not validate the Security Chain (transition), then step 3 is activated, the action A3 associated with this step 3 of preventing the activation of the system, and more particularly the transition to the second phase of the process object of the invention.
  • step 1 The action A1 associated with step 1 is to activate the system to set the new pitch of the propeller and the new speed of rotation of the motor shaft. Some actions are also blocked: impossibility to activate the motor 5 initially deactivated on the tree line; - Inability to couple to the gear 6 the motor shaft 50 initially uncoupled to the shaft line; - impossibility of activating the coupled alternator 7.
  • step 1 if the Safety Chain is still validated and the user asks to return to the initial instructions of pitch and rotation speed of the motor shaft (transition CDS.DRCI), then step 2 is activated. If a fault does not validate the Security Chain (transition), then step 4 is activated.
  • step 2 consists of modifying the pitch of the helix and the speed of rotation of the motor shaft, to return to the initial values.
  • the above blocked actions are also unlocked and the system is disabled.
  • step 2 if the Safety Chain is still validated (CDS transition), then we return to the initial step 0. If the Safety Chain is not validated (transition), then the Step 4 is enabled.
  • the action A4 associated with step 4 consists of adjusting the pitch of the helix and the speed of rotation of the motor shaft to the initial values.
  • the aforementioned blocked actions are further unlocked so that it is possible: to activate the initially deactivated motor 5 on the shaft line; - To couple to the gear 6 the motor shaft 50 initially uncoupled on the shaft line; - Activate the coupled alternator 7.
  • the system disconnects, remains disconnected (unable to activate the system) and defaults.
  • the fault is stored in the PLC PLC memory until human validation has taken place.
  • step 5 if a fault continues to not validate the Safety Chain, and if the fault has been seen and acknowledged by a person (transition .AD), then step 5 is activated.
  • the action A5 associated with step 5 is to deactivate the fault in the Security Chain with an impossibility of activating the system.
  • step 5 if the fault is acknowledged and is no longer active, the Security Chain is again validated (CDS transition), and then returns to the initial step 0.

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Abstract

L'invention a pour objets un procédé et un système pour modifier la propulsion d'un navire, laquelle propulsion est assurée par au moins une ligne d'arbre comprenant : - une hélice à pas variable solidaire d'un arbre d'hélice, - deux moteurs comprenant chacun un arbre moteur. Le navire navigue initialement dans une configuration où : - les groupes électrogènes fournissent l'énergie électrique, - un seul moteur par ligne d'arbre est activé pour fournir l'énergie propulsive, La puissance initiale développée par ledit moteur activé, en fonction de la valeur initiale du pas d'hélice et de la vitesse nominale de rotation de l'arbre moteur dudit moteur activé, génère une vitesse de croisière initiale du navire. Dans cette configuration de navigation, on émet de nouvelles consignes de commandes adaptées pour régler : - un nouveau pas d'hélice qui augmente le couple sur l'arbre d'hélice, - une nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé qui est inférieure à la vitesse nominale de rotation dudit arbre moteur. Les réglages du nouveau pas d'hélice et de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur sont effectués de manière à ce que la puissance développée par le moteur activé soit maintenue à sa valeur initiale, ou à une valeur proche de cette valeur initiale, et que le navire navigue à une nouvelle vitesse de croisière supérieure à la vitesse de croisière initiale.

Description

    Domaine technique de l'invention.
  • L'invention a pour objets un procédé et un système pour modifier la propulsion d'un navire.
  • Elle concerne le domaine technique des navires propulsés par des moteurs thermiques, et plus particulièrement des aménagements permettant de régler la propulsion de navires, par exemple pour le transport de passagers, le transport de marchandises, etc.
    • État de la technique.
  • Les navires sont habituellement pourvus d'une ou plusieurs lignes d'arbre assurant leur propulsion.
  • Sur la figure 1, la ligne d'arbre comprend une hélice 1 dont le pas est variable et qui est solidaire d'un arbre d'hélice 2. L'hélice 1 est associée à un variateur 3 qui permet de faire varier son pas de sorte que, en rotation, la modification dudit pas entraîne une modification du couple sur l'arbre d'hélice 2.
  • Deux moteurs à combustion interne 4 et 5, par exemple des moteurs diesels suralimentés, sont également installés sur la ligne d'arbre. Ces moteurs 4, 5 sont identiques et sont dimensionnés de manière à pouvoir assurer seuls la propulsion du navire. Ces moteurs suralimentés 4, 5 sont initialement prévus pour un fonctionnement à puissance nominale et à vitesse de rotation constante. Ils comprennent chacun un arbre moteur, respectivement 40 et 50.
  • Un régulateur de vitesse 41, 51 est associé à chacun des moteurs 4, 5. Chaque régulateur de vitesse 41, 51 permet de maintenir la vitesse de rotation de l'arbre moteur 40, 50 du moteur 4, 5 auquel il est associé. A cette vitesse de rotation correspond une consigne de commande.
  • Un réducteur 6 est adapté pour modifier le rapport de vitesse et le couple entre chaque arbre moteur 40, 50 et l'arbre d'hélice 2. Il permet par exemple de réduire de cinq fois la vitesse de rotation des arbres moteurs 40, 50 et ainsi d'augmenter de cinq fois le couple sur l'arbre d'hélice 2. Ce réducteur 6 comprend généralement des engrenages qui barbotent dans de l'huile de lubrification. Le couplage mécanique de chaque arbre moteur 40, 50 au réducteur 6 est réalisé au moyen d'accouplements débrayables 42, 52.
  • Un alternateur attelé 7 (ou générateur électrique de courant alternatif) permet de fournir de l'énergie électrique Pe au navire lorsque ledit alternateur est accouplé à au moins un des arbres moteurs 40 ou 50, par l'intermédiaire du réducteur 6. La fréquence du courant généré dépend directement de la vitesse de rotation dudit ou desdits arbre(s) moteur(s).
  • L'énergie électrique Pe peut également être fournie par un ou plusieurs groupes électrogènes 8 lorsque ces derniers sont activés.
  • Une unité de gestion électronique Uc gère le fonctionnement de la ligne d'arbre. Cette unité de gestion électronique comprend un ou plusieurs processeurs ou microprocesseurs et une ou plusieurs mémoires dans laquelle ou lesquelles sont enregistrés un ou plusieurs programmes informatiques dont les instructions, lorsqu'elles sont exécutées par le processeur, permettent de réaliser les fonctionnalités décrites plus avant dans la description.
  • Sur la figure 1, l'unité de gestion Uc est subdivisée en trois sous-unités respectivement UC1, UC2, et UC3. Ces sous-unités sont généralement physiquement séparées les unes des autres et sont autonomes. Elles peuvent toutefois être physiquement regroupées au sein d'une même unité.
  • La sous-unité UC1 gère la charge des moteurs 4, 5. La « charge » est le rapport entre le travail effectif fourni à un certain régime moteur sur le travail maximal autorisé au même régime moteur. Etant donné que le travail d'un moteur correspond au couple sur un tour de rotation, nous pouvons dire que la charge correspond au rapport du couple effectif, sur le couple maximal. La charge n'a donc pas d'unité et est exprimée en pourcentage. La charge est associée à la partie résistante qui correspond à l'hélice 1 et par conséquent au couple résistant ainsi qu'au pas d'hélice. Concrètement, la charge Ch détermine la valeur du couple résistant induit par l'hélice 1 sur l'arbre d'hélice 2, suite au réglage de son pas, qui est compensé par le couple moteur C délivré par les arbres moteurs 40, 50.
  • La sous-unité UC1 transmet au variateur 3, une consigne de commande Sp qui règle le pas de l'hélice 1 à une valeur initiale. Cette valeur initiale dépend d'une consigne Spl donnée par un levier 9, lequel levier est actionné manuellement depuis la passerelle de pilotage du navire. Cette consigne Spl est par exemple comprise entre [0 ; +10] lorsque le navire navigue en marche avant et entre [0;-10] lorsqu'il navigue en marche arrière.
  • La valeur du pas de l'hélice 1 dépend également d'une consigne Spc de limite de charge, ce qui se traduit par : S p = f S pl S pc
    Figure imgb0001
     où « f » est une fonction de transfert.
  • La consigne de limite de charge Spc correspond à une valeur limite de pas de l'hélice 1 appliquée à la consigne de pas demandée Spl. En deçà de cette valeur de pas, il n'y a aucune limitation quand à l'action du levier 9 ; cependant, au delà de cette valeur, le pas de l'hélice 1 reste bloqué à ladite valeur et le levier 9 n'a plus d'action sur ledit pas. La consigne de limite de charge (Spc) est généralement fixée à une valeur proche de 80% pour éviter que les moteurs 4 ou 5 ne dépassent 80% du couple maximal (C1max) ainsi que de la puissance maximale (P1max), réglages adaptés à un usage prolongé.
  • Les valeurs de consigne de limite de charge Spc sont généralement préconisées par le constructeur, mais peuvent être réglées manuellement par l'utilisateur, entre 0% et 110%, notamment en fonction des conditions de navigation. Par exemple, en cas d'avarie sévère (voie d'eau, incendie,...), la consigne de limite de charge peut être réglée à 110 %.
  • Par exemple, si la passerelle actionne le levier 9 pour demander un pas maximum de « 10 » (sur une échelle de 0 à 10), et que l'on applique une limitation de charge de 80% (consigne Spc), la sous-unité UC1 émet une consigne Sp telle que le variateur 3 règle le pas de l'hélice à une valeur correspondant à 80% du couple maximal disponible (C1max), ou de la puissance maximale (P1max) disponible s'il s'agit de moteurs à vitesse de rotation constante.
  • Les sous-unités UC2 et UC3 gèrent les vitesses de rotation respectivement des moteurs 4 et 5. Elles transmettent aux régulateurs de vitesse 41, 51 des consignes de commande, respectivement Sω, lesquelles consignes maintiennent la vitesse de rotation de l'arbre moteur correspondant, respectivement 40, 50, à une vitesse nominale de rotation ωn. Cela peut se traduire par la formule suivante : S ω = g ω n
    Figure imgb0002
     où « g » est une fonction de transfert.
  • La vitesse nominale de rotation ωn est prédéfinie par le constructeur, comme cela est expliqué plus avant dans la description.
  • Actuellement, on distingue trois modes de fonctionnement distincts pour répartir la puissance dite propulsive PM et la puissance électrique Pe, nécessaires pour faire avancer le navire et fournir le courant du bord.
  • Dans un mode dit « générateur », les moteurs 4, 5 délivrent à eux seuls la puissance propulsive PM via l'arbre d'hélice 2, ainsi que la puissance électrique Pe via l'alternateur attelé 7. Il est également possible de n'activer qu'un seul des deux moteurs 4 ou 5, l'autre étant désactivé et désaccouplé du réducteur 6. Dans ce mode, le ou les groupes électrogènes 8 sont désactivés.
  • La vitesse de rotation ωn des arbres moteurs 40 et 50, dite nominale, doit rester constante afin de produire le courant de bord avec une fréquence donnée. En effet, l'alternateur attelé 7 génère un courant dont la fréquence dépend directement de la vitesse de rotation de l'arbre moteur 50. Il est essentiel de maintenir constante la fréquence du courant (+/- 1Hz), au risque d'altérer les appareils électriques desservis. La vitesse nominale ωn de rotation des moteurs 4 et 5 est par exemple de 79 rad/s.
  • Les moteurs 4, 5 délivrent chacun une puissance qui varie selon la charge Ch1 de l'hélice 1 (figure 3a), ainsi que la charge du réseau électrique, jusqu'à atteindre une puissance nominale P1n fixée généralement à 80 % de la puissance maximale P1max, selon les constructeurs.
  • C'est donc le réglage de la consigne de limite de charge Spc qui détermine le couple nominal C1n ainsi que la puissance nominale P1n des moteurs 4, 5 (en cas de vitesse de rotation constante).
  • Dans un mode dit « propulsif», la puissance P1n de chacun des deux moteurs 4, 5 est entièrement dédiée à la propulsion du navire (PM=2xP1n en prenant comme hypothèse qu'il n'y ait pas de perte au niveau du réducteur 6). La puissance électrique Pe est fournie exclusivement par le ou les groupes électrogènes 8, l'alternateur attelé 7 étant désactivé. Les moteurs 4, 5 fonctionnent à vitesse nominale constante ωn.
  • La figure 3a est un diagramme sur lequel la puissance motrice PM disponible sur l'arbre d'hélice 2 correspond aux ordonnées gauches, et la vitesse de rotation ω des arbres moteurs 40, 50 correspond aux abscisses, étant entendu que cette vitesse de rotation ω est directement proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre d'hélice 2.
  • Sur cette figure 3a, les courbes en trait gras sont des courbes d'iso-vitesse, permettant de déterminer la vitesse V du navire.
  • Les courbes en trait d'axe sont des courbes d'iso-charge permettant de déterminer la charge Ch sur l'arbre d'hélice 2. On rappelle ici que cette charge Ch est un pourcentage correspondant au couple résistant induit par l'hélice 1 suite au réglage de son pas, compensé par le couple C délivré par les arbres moteurs 40, 50 (auquel est appliqué le coefficient de réduction induit par le réducteur 6).
  • Les courbes en trait plein sont des droites d'iso-couple permettant de déterminer le couple moteur C sur les arbres moteurs 40, 50.
  • Sur la figure 3a, au point de fonctionnement 1n, le navire fonctionne avec un seul moteur 4 ou 5. A la vitesse de rotation nominale ωn (ex : environ 79 rad/s), et pour une charge nominale Ch1n, la puissance motrice nominale développée par ce moteur est égale à P1n et la vitesse du navire est égale à V1n (ex : environ 16 noeuds). La puissance motrice nominale P1n (ex : environ 3900 kW) correspondant à environ 80 % de la puissance maximale P1max (ex : environ 4900 KW). Le couple moteur nominal C1n (ex : environ 240 kN.m sur l'arbre d'hélice 2) correspond au couple résistant de la charge nominale Ch1n de 80 % (les courbes d'iso-couple et d'iso-charge se rencontrent en ce point 1 n).
  • Au point de fonctionnement 1max, le navire fonctionne encore avec un seul moteur 4 ou 5. A la vitesse de rotation nominale ωn, et pour une charge maximale Ch1max, la puissance motrice maximale développée par ce moteur est égale à P1max (ex : environ 4900 kW) et la vitesse du navire augmente de V1n à V1max (ex : environ 18,2 noeuds). Le couple moteur maximal C1max (ex : environ 315 kN.m sur l'arbre d'hélice 2) correspond au couple résistant de la charge maximale Ch1max de 100 % (les courbes d'iso-couple et d'iso-charge se rencontrent en ce point 1max).
  • Au point de fonctionnement 2n le navire fonctionne avec les deux moteurs 4 et 5 activés. A la vitesse de rotation nominale ωn, on augmente la charge Ch2n. La puissance motrice disponible sur l'arbre d'hélice 2 augmente alors à une valeur P2n (ex : environ 7800 kW ; P2n = 2 x P1n) et la vitesse du navire augmente de V1n à V2n (ex : environ 20,4 noeuds). Le couple moteur C2n (ex : environ 480 kN.m sur l'arbre d'hélice 2) correspond au couple résistant de la charge Ch2n (les courbes d'iso-couple et d'iso-charge se rencontrent en ce point 2).
  • Ce mode propulsif permet un fonctionnement sur un ou deux moteurs par ligne d'arbre. Le fait d'avoir un seul moteur activé par ligne d'arbre est économique, puisque la consommation au mille est intéressante, mais le rendement propulsif (directement lié à la vitesse V du navire) est dégradé ; l'hélice 1 ne travaillant pas dans sa plage efficiente d'utilisation.
  • Le fait d'avoir deux moteurs activés par ligne d'arbre permet un rendement propulsif intéressant, mais la consommation au mille est maximale du fait d'avoir les moteurs 4, 5 ainsi que le ou les groupes électrogènes 8 en fonctionnement.
  • Dans un mode dit « combinatoire », la vitesse de rotation ω des arbres moteurs 40, 50 n'est plus constante, mais varie avec la charge Ch de l'hélice 1.
  • Comme dans le mode propulsif, la puissance des moteurs 4, 5 peut alors être entièrement utilisée pour la propulsion du navire. La puissance électrique Pe est fournie exclusivement par le ou les groupes électrogènes 8. En effet, dès lors que la vitesse de rotation ω des arbres moteurs 40, 50 varie et que la fréquence du courant généré doit rester constante, l'alternateur attelé 7 doit être désactivé.
  • Étant donné que dans ce cas, la vitesse de rotation ω des arbres moteurs 40, 50 varie parallèlement avec la charge Ch de l'hélice 1, le couple C délivré par les arbres moteurs 40, 50 est ainsi optimisé. Ce couple ne dépasse toutefois pas sa valeur nominale C1n, toujours atteinte à la limite de charge (environ 80 % du couple maximal C1max) et à la vitesse nominale ωn (limite supérieure).
  • Ce mode est intéressant pour les montées en charge et les allures transitoires du navire. Il en résulte une meilleure accélération du navire ainsi qu'une optimisation du pas de l'hélice 1, du fait de favoriser le couple C délivré par les arbres moteurs 40, 50 plutôt que leur vitesse de rotation ω.
  • Dans le cas où la vitesse nominale de rotation ωn des arbres moteurs 40, 50 est constante, seule la charge varie jusqu'à atteindre la limite de charge fixée par la consigne de limite de charge Spc. Étant donné que la vitesse de rotation de l'ensemble propulsif reste constante, le réglage de la limite de charge détermine dans ce cas précis la limite de la puissance motrice.
  • La formule suivante relie, pour chaque moteur 4, 5 : puissance, couple, et vitesse de rotation : P = C × ω
    Figure imgb0003
     Où:
    • P correspond à la puissance en W (Watt) délivrée par le moteur 4, 5 ;
    • C correspond au couple en N.m (Newton mètre) de l'arbre moteur 40, 50 ;
    • ω correspond à la vitesse de rotation en rad/s (radian par seconde) de l'arbre moteur 40, 50.
  • Cette formule s'applique de la même façon, lorsque les deux moteurs 4 et 5 sont activés.
  • La vitesse nominale de rotation ωn ainsi que la puissance maximale disponible au point de fonctionnement 2n (P2n = 2 x P1n) des moteurs 4 et 5 sont déterminées par le constructeur. Ces valeurs sont sélectionnées lors de la construction du navire pour être compatibles avec le choix de l'hélice 1. En se référant à la figure 3a, au point de fonctionnement 2n, ainsi que tout le long de la courbe Ch2n, l'hélice 1 travaille dans sa plage efficiente d'utilisation, ladite hélice étant dimensionnée pour fonctionner avec deux moteurs à environ 80 % de leur puissance maximale.
  • La conception de l'alternateur attelé 7, et notamment son bobinage, découle directement de la vitesse nominale de rotation ωn des arbres moteurs 40, 50, dès lors que la fréquence du courant généré par ledit alternateur doit rester constante (par ex : 50 Hz ou 60 Hz, +/- 1 Hz).
  • Les moteurs 4, 5, l'hélice 1, et l'alternateur attelé 7 étant tous les trois interdépendants, il est impossible, en mode générateur, de modifier un de ces appareils sans en modifier au minimum un autre. Ces appareils ainsi que leurs réglages sont donc propres au navire et restent, a priori, les mêmes tout au long de son exploitation.
  • La vitesse nominale ωn des arbres moteurs 40, 50, est donc déterminée à la construction du navire, et doit être maintenue à une valeur constante en mode générateur, afin que l'alternateur attelé 7 puisse fournir un courant électrique avec une fréquence sans variation. A la fréquence de 50 Hz il est toléré une variation de +/- 1 Hz, soit une erreur de +/- 2%.
  • Les régulateurs de vitesse 41, 51, par l'intermédiaire des sous-unités de gestion UC2 et UC3, maintiennent donc constante la vitesse de rotation nominale ωn des arbres moteurs 40, 50 et intègrent indirectement la charge (c'est-à-dire le couple induit par l'hélice 1) en agissant sur l'injection de combustible dans les moteurs 4, 5, pour conserver cette vitesse nominale. Sur la figure 1, la vitesse de rotation des arbres moteurs 40, 50 est contrôlée au moyen de capteurs de vitesse 43, 53 installés sur lesdits arbres.
  • Dans les cas où la vitesse de rotation des arbres moteurs 40, 50 est constante et maintenue à la vitesse nominale ωn, la puissance des moteurs 4, 5 varie jusqu'à atteindre une puissance nominale (P1n) à la limite de charge Ch1n, et par conséquent, selon la formule P = C x ω, un couple variable limité (couple nominal C1n) : P1n = C1n x ωn.
  • Il existe donc trois modes avec chacun leurs avantages : les modes générateurs et combinatoires étant optimisés et le mode propulsif étant économique dans le cas d'un seul moteur activé 4 ou 5 par ligne d'arbre. Ce mode propulsif est toutefois peu optimisé dans les conditions initiales.
  • En effet, en mode propulsif avec un seul moteur activé par ligne d'arbre (ex : moteur 4), la puissance motrice PM disponible sur l'arbre d'hélice 2 est divisée par deux (PM=P2n/2=P1n). La vitesse de rotation de l'arbre moteur 40 étant toujours constante et égale à la vitesse nominale ωn, le couple disponible C1n sur cet arbre moteur 40 et donc sur l'arbre d'hélice 2, est alors lui aussi divisé par deux (C1n=C2n/2). Lorsqu'un un seul moteur est activé (par exemple le moteur 4), à la vitesse de rotation nominale ωn, et pour une charge Ch1, alors la puissance motrice PM=P1n et la vitesse du navire V=V1n. En maintenant la vitesse de rotation ωn constante, et en augmentant la charge Ch (c'est-à-dire le pas de l'hélice 1) à une valeur Ch1max telle que Ch1max>Ch1, alors la puissance motrice disponible sur l'arbre d'hélice 2 augmente à une valeur P1max telle que P1max>P1n et la vitesse du navire passe de V1n à V1max, avec V1max>V1n. Au point de fonctionnement critique 1max, la puissance propulsive P1max augmente par exemple d'environ 20 %, mais le couple C1max devient trop important pour assurer un fonctionnement prolongé.
  • Avec un seul moteur activé par ligne d'arbre, du fait que la puissance motrice PM et le couple disponible sur l'arbre d'hélice 2 sont divisés par deux, le rendement propulsif, ou vitesse du navire, est fortement dégradé. L'hélice 1 ne travaille plus dans sa plage efficiente d'utilisation.
  • L'invention vise à remédier à cet état des choses. En particulier, un objectif de l'invention est d'améliorer le rendement du mode propulsif dans le cas le plus économique, c'est-à-dire avec un seul moteur activé par ligne d'arbre.
  • On connait par le document brevet BE 677.295 (BBC) un système permettant de limiter le rendement propulsif du navire. Ce système permet de traiter un cas extrême où, l'hélice étant réglée en vue de la vitesse maximale, qui correspond à la puissance maximale, on doive en même temps absorber une charge supplémentaire du réseau électrique de bord. Les moteurs diesel du navire n'étant pas à même d'absorber la surcharge, la vitesse de l'arbre porte-hélice diminue fatalement. Le document BBC préconise de veiller, lors de telle charges extrêmes, à ce que l'angle d'attaque de l'hélice du navire se modifie jusqu'à ce que la vitesse de rotation nominale soit rétablie. La solution préconisée dans ce document consiste à réduire l'angle d'attaque de l'hélice (et donc de diminuer le couple sur l'arbre d'hélice) dans le but de soulager les moteurs diesel du navire. La puissance diminue grâce à ce système, afin de maintenir constante la vitesse de rotation des moteurs diesel. Ce système ne peut en aucun cas permettre d'augmenter le rendement du mode propulsif du navire, notamment avec un seul moteur activé par ligne d'arbre.
    • Divulgation de l'invention.
  • La solution proposée par l'invention est un procédé pour modifier la propulsion d'un navire, laquelle propulsion est assurée par au moins une ligne d'arbre, ledit procédé consistant à :
    • installer une ligne d'arbre comprenant :
      • o une hélice à pas variable solidaire d'un arbre d'hélice,
      • o un variateur adapté pour faire varier le pas d'hélice de sorte que, en usage, la modification dudit pas entraîne une modification du couple sur l'arbre d'hélice,
      • o deux moteurs suralimentés à combustion interne comprenant chacun un arbre moteur, un ou deux moteurs étant activés pour assurer la propulsion du navire,
      • o un régulateur de vitesse associé à chacun des moteurs, lequel régulateur est adapté pour maintenir la vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur auquel il est associé, à une vitesse de rotation correspondant à une consigne de commande,
      • o un réducteur adapté pour modifier le rapport de vitesse et le couple entre chaque arbre moteur et l'arbre d'hélice,
      • o des accouplements débrayables adaptés pour coupler chaque arbre moteur au réducteur,
      • o un alternateur attelé adapté pour fournir de l'énergie électrique au navire lorsqu'il est activé, lequel alternateur est accouplé à au moins un des arbres moteurs par l'intermédiaire du réducteur,
    • installer dans le navire un ou plusieurs groupes électrogènes adaptés pour fournir de l'énergie électrique audit navire lorsqu'ils sont activés,
    • faire naviguer le navire en activant un ou deux moteurs par ligne d'arbre et transmettre : - au variateur, une consigne de commande adaptée pour régler le pas d'hélice à une valeur initiale ; - au régulateur de vitesse, une consigne de commande adaptée pour maintenir la vitesse de rotation de l'arbre moteur du ou des moteurs activés, à une vitesse nominale de rotation prédéfinie.
  • Ce procédé est remarquable par le fait qu'il consiste à faire naviguer le navire dans une configuration où :
    • l'alternateur attelé est désactivé,
    • le ou les groupes électrogènes sont activés,
    • un seul moteur par ligne d'arbre est activé avec son arbre moteur couplé au réducteur pour assurer la propulsion du navire, l'autre moteur étant désactivé et/ou a son arbre moteur désaccouplé dudit réducteur, de sorte que la puissance initiale développée par ledit moteur activé, en fonction de la valeur initiale du pas d'hélice et de la vitesse nominale de rotation de l'arbre moteur dudit moteur activé, génère une vitesse de croisière initiale du navire.
  • Ce procédé est également remarquable par le fait que dans cette configuration de navigation, ledit procédé consiste à émettre de nouvelles consignes de commandes adaptées pour régler :
    • un nouveau pas d'hélice qui augmente le couple sur l'arbre d'hélice,
    • une nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé qui est inférieure à la vitesse nominale de rotation dudit arbre moteur.
  • Les réglages du nouveau pas d'hélice et de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur étant effectués de manière à ce que la puissance développée par le moteur activé soit maintenue à sa valeur initiale, ou à une valeur proche de cette valeur initiale, et que le navire navigue à une nouvelle vitesse de croisière supérieure à la vitesse de croisière initiale.
  • Grâce aux caractéristiques remarquables du procédé, le couple disponible augmente lorsque la puissance est divisée par 2 ce qui permet d'optimiser le rendement de l'hélice à pas variable. La vitesse du navire augmente alors de manière significative tandis que la consommation de combustible reste identique à celle d'un seul moteur à vitesse nominale en mode propulsif. Il a été constaté une augmentation de la vitesse du navire de 4 % avec une consommation de combustible équivalente, ou une économie de combustible pouvant aller jusqu'à 15% avec une vitesse moyenne de navigation équivalente. Le procédé objet de l'invention permet donc d'avoir une nouvelle vitesse de navigation intéressante, tout en conservant la configuration de propulsion la plus intéressante (mode propulsif), avec une consommation limitée de combustible.
  • Il est à noter que, conformément à l'invention, on augmente le pas d'hélice pour augmenter le couple sur l'arbre d'hélice, la vitesse de rotation de l'arbre moteur étant diminuée. C'est l'inverse de ce qui est préconisé dans le document brevet BE 677.295 (BBC) où le pas d'hélice est diminué pour réduire le couple sur l'arbre d'hélice, la vitesse de rotation des arbres moteurs étant maintenue constante.
  • D'autres caractéristiques avantageuses du procédé selon l'invention sont listées ci-dessous. Chacune de ces caractéristiques peut être considérée seule ou en combinaison avec les caractéristiques remarquables définies ci-dessus, et faire l'objet, le cas échéant, d'une ou plusieurs demandes de brevets divisionnaires :
    • On intègre préférentiellement un protocole de sécurité qui ramène le pas d'hélice à sa valeur initiale, et la vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé à la vitesse nominale de rotation, lequel protocole est mis en oeuvre lorsqu'au moins l'une des conditions suivantes fait défaut : - un seul des moteurs est embrayé sur la ligne d'arbre ; l'alternateur attelé est désactivé ; - le ou les groupes électrogènes sont activés ; - la valeur du nouveau pas d'hélice correspond à la nouvelle consigne de commande, plus ou moins un écart prédéterminé ; - la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé correspond à la nouvelle consigne de commande, plus ou moins un écart prédéterminé.
    • Avantageusement, tant que les nouvelles consignes de commandes sont générées, au moins l'une des actions suivantes est bloquée : - sur la ligne d'arbre : activer le moteur initialement désactivé ; - sur la ligne d'arbre : coupler au réducteur un arbre moteur initialement désaccouplé ; sur la ligne d'arbre : activer l'alternateur attelé.
  • Un autre aspect de l'invention concerne un système pour modifier la propulsion d'un navire, comportant :
    • au moins une ligne d'arbre assurant la propulsion du navire, laquelle ligne d'arbre comprend :
      • o une hélice à pas variable solidaire d'un arbre d'hélice,
      • o un variateur adapté pour faire varier le pas d'hélice de sorte que, en usage, la modification dudit pas entraîne une modification du couple sur l'arbre d'hélice,
      • o deux moteurs suralimentés à combustion interne comprenant chacun un arbre moteur, un ou deux moteurs étant activés pour assurer la propulsion du navire,
      • o un régulateur de vitesse associé à chacun des moteurs, lequel régulateur est adapté pour maintenir la vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur auquel il est associé, à une vitesse de rotation correspondant à une consigne de commande,
      • o un réducteur adapté pour modifier le rapport de vitesse et le couple entre chaque arbre moteur et l'arbre d'hélice,
      • o des accouplements débrayables adaptés pour coupler chaque arbre moteur au réducteur,
      • o un alternateur attelé adapté pour fournir de l'énergie électrique au navire lorsqu'il est activé, lequel alternateur est accouplé à au moins un des arbres moteurs par l'intermédiaire du réducteur,
    • un ou plusieurs groupes électrogènes adaptés pour fournir de l'énergie électrique au navire lorsqu'ils sont activés,
    • une unité de gestion électronique pour gérer le fonctionnement de la ligne d'arbre et l'activation du ou des groupes électrogènes, ladite unité de gestion étant adaptée pour transmettre : - au variateur, une consigne de commande qui règle le pas de l'hélice à une valeur initiale ; - au régulateur de vitesse associé à chaque moteur activé, une consigne de commande qui maintient la vitesse de rotation de son arbre moteur à une vitesse nominale de rotation prédéfinie.
  • En réponse à la réception d'une instruction de commande, l'unité de gestion:
    • émet une consigne de commande qui désactive l'alternateur attelé, et une consigne de commande qui active le ou les groupes électrogènes,
    • émet une consigne de commande qui active un seul moteur par ligne d'arbre, son arbre moteur étant couplé au réducteur pour assurer la propulsion du navire, et une consigne de commande pour désactiver l'autre moteur et/ou désaccoupler son arbre moteur dudit réducteur, de sorte que la puissance initiale développée par ledit moteur activé, en fonction de la valeur initiale du pas de l'hélice et de la vitesse nominale de rotation de l'arbre moteur dudit moteur activé, génère une vitesse de croisière initiale du navire.
  • Dans cette configuration de navigation, et conformément à l'invention, ce système est notamment remarquable en ce qu'en réponse à la réception d'une autre instruction de commande, l'unité de gestion :
    • émet une nouvelle consigne de commande, par ligne d'arbre, qui règle un nouveau pas d'hélice pour augmenter le couple sur l'arbre d'hélice,
    • émet une nouvelle consigne de commande, par ligne d'arbre, qui règle une nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé qui est inférieure à la vitesse nominale de rotation dudit arbre moteur, les réglages du nouveau pas de l'hélice et de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur, sur chaque ligne d'arbre, étant effectués de manière à ce que la puissance développée par le moteur activé soit maintenue à sa valeur initiale, ou à une valeur proche de cette valeur initiale, et que le navire navigue à une nouvelle vitesse de croisière supérieure à la vitesse de croisière initiale.
  • D'autres caractéristiques avantageuses du système selon l'invention sont listées ci-dessous. Chacune de ces caractéristiques peut être considérée seule ou en combinaison avec les caractéristiques remarquables définies ci-dessus, et faire l'objet, le cas échéant, d'une ou plusieurs demandes de brevets divisionnaires :
    • L'unité de gestion électronique intègre préférentiellement un automate programmable comprenant une mémoire dans laquelle sont enregistrés un ou plusieurs programmes informatiques dont les instructions permettent de définir la valeur du nouveau pas de l'hélice et la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé, de sorte que la puissance développée par ledit moteur activé soit maintenue à sa valeur initiale, ou à une valeur proche de cette valeur initiale.
    • L'accès à la mémoire de l'automate programmable est préférentiellement protégé par un code d'accès.
    • Une ou plusieurs batteries électriques de secours peuvent être prévues pour alimenter l'unité de gestion électronique.
    • L'automate programmable est préférentiellement associé à une platine de commande, laquelle platine présente au moins l'un des éléments suivants :
      • o un organe adapté pour générer l'instruction initiant automatiquement le réglage du nouveau pas d'hélice et de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur,
      • o un organe adapté pour générer l'instruction ramenant automatiquement le pas d'hélice à sa valeur initiale, et la vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé à la vitesse nominale de rotation ;
      • o un ou plusieurs voyants lumineux adaptés pour signaler le défaut d'au moins l'une des conditions suivantes :
        • ▪ sur la ligne d'arbre : un seul moteur est embrayé ;
        • ▪ l'alternateur attelé est désactivé ;
        • ▪ le ou les groupes électrogènes sont activés ;
        • ▪ la valeur du nouveau pas d'hélice correspond à la nouvelle consigne de commande, plus ou moins un écart prédéterminé ;
        • ▪ la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé correspond à la nouvelle consigne de commande, plus ou moins un écart prédéterminé.
    • Les moteurs à combustion interne et l'arbre d'hélice sont situés dans une salle des machines, la platine de commande est installée dans un poste de pilotage du navire, lequel poste de pilotage est distant de ladite salle des machines.
    Description des figures.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux dessins annexés, réalisés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs et sur lesquels :
    • la figure 1 précitée illustre de manière schématique un système de propulsion d'un navire connu de l'art antérieur,
    • la figure 2 schématise un système de propulsion conforme à l'invention,
    • la figure 3a précitée est un diagramme schématique illustrant la relation entre la puissance motrice PM susceptible d'être fournie sur l'arbre d'hélice par les moteurs et la vitesse de rotation des arbres moteur ; sont représentés aux points de fonctionnement caractéristiques 1n, 1max, 1' et 2n, les courbes d'iso-vitesse du navire ainsi que les courbes d'iso-couple et d'iso-charge,
    • figure 3b est une vue agrandie du détail D de la figure 3a,
    • la figure 4 est un Grafcet représentant un mode de fonctionnement de l'unité de gestion électronique, et plus particulièrement de l'automate programmable qu'elle est susceptible d'intégrer.
    Modes préférés de réalisation de l'invention.
  • Sur la figure 2, le système de propulsion conforme à l'invention est similaire à celui illustré sur la figure 1 et décrit précédemment. Les éléments communs portent les mêmes références numériques.
  • Une seule ligne d'arbre est représentée, mais le navire peut en comporter plusieurs, et préférentiellement deux. Le fonctionnement de chacune de ces lignes d'arbre est similaire.
  • Sur la figure 2, la ligne d'arbre intègre deux moteurs 4 et 5. Ces derniers sont par exemple des moteurs diesels suralimentés de la marque WÄRTSILA®. Ils fonctionnent normalement à une puissance constante à environ 80 % de leur puissance maximale.
  • Le procédé objet de l'invention se déroule en deux phases :
    • ➢ La première phase consiste à faire naviguer le navire en mode propulsif. L'alternateur attelé 7 est désactivé, c'est-à-dire qu'il n'est pas excité (ce qui est schématisé par l'utilisation des lignes pointillées). Une première conséquence liée à cette désactivation, est que la puissance susceptible d'être développée par les moteurs 4, 5 n'est plus partiellement utilisée par l'alternateur 7 pour la production électrique, mais est exclusivement utilisée pour mettre en rotation l'arbre d'hélice 2. On gagne donc de la puissance sur l'arbre d'hélice 2. Le ou les groupes électrogènes 8 sont activés. Ce sont eux qui produiront la puissance électrique Pe.
  • Sur les deux moteurs 4 et 5 prévus sur la ligne d'arbre, un seul est activé. Sur la figure 2, seul le moteur 4 est activé. Le moteur 5 est désactivé et/ou à son arbre moteur 50 désaccouplé du réducteur 6, ce qui est schématisé par l'utilisation des lignes pointillées. L'arbre moteur 40 du moteur 4 activé est quant à lui accouplé au réducteur 6 pour assurer la propulsion du navire.
  • Dans cette configuration, et comme cela apparaît au point de fonctionnement 1n sur la figure 3a, la puissance initiale P1n développée par le moteur 4, en fonction de la valeur initiale du pas de l'hélice 1 (correspondant à la charge Ch1n), et de la vitesse nominale ωn de rotation de l'arbre moteur 40, génère une vitesse de croisière initiale V1n du navire. Par exemple, lorsque la puissance P1n est d'environ 3900 kW, et le couple C1n sur l'arbre d'hélice 2 est de 240 kN.m (Ch1), la vitesse V1n est alors d'environ 16 noeuds.
  • La désactivation de l'alternateur attelé 7, l'activation du ou des groupes électrogènes 8, et la désactivation et/ou le débrayage du moteur 5, sont initiées par des consignes de commande émises depuis l'unité de gestion Uc. Ces consignes de commande sont notamment émises en réponse à la réception d'une instruction de commande, générée depuis une platine de commande 100 associée à l'unité de gestion Uc et plus particulièrement aux sous-unités UC1, UC2, UC3. Cette platine 100 comprend différents boutons notamment pour la commande des moteurs (100a), la commande du ou des groupes électrogènes 8 (100b), la commande de gestion d'énergie (100c), etc. En pratique, cette platine 100 est une platine déjà existante, installée à côté du levier 9, sur la passerelle et/ou dans la salle des machines. La commande et la lecture de cette platine 100 peuvent être matérialisées par des actions « physiques » (boutons, cadrans) ou « informatiques » via une supervision.
  • ➢ Dès lors que le navire navigue en mode propulsif, avec un seul moteur activé par ligne d'arbre, la deuxième phase peut être initiée. Dans cette deuxième phase, de nouvelles consignes de commande sont générées pour modifier le pas de l'hélice 1 et modifier la vitesse de rotation ω de l'arbre moteur 40 du moteur activé 4. Ces nouvelles consignes de commandes peuvent être générées temporairement durant la période de navigation du navire, par exemple pendant que le navire navigue au large en vitesse de croisière, après son départ du port d'embarquement, et avant son arrivée au port de débarquement.
  • Le nouveau pas de l'hélice 1 est tel que le couple (ou charge) sur l'arbre d'hélice 2 augmente. Sur les figures 3a et 3b, au nouveau point de fonctionnement 1', la charge sur l'arbre d'hélice 2, augmente d'une valeur Ch1n à une valeur Ch1', telle que Ch1' > Ch1n. Et la nouvelle vitesse de rotation ω' de l'arbre moteur 40 est inférieure à la vitesse nominale ωn.
  • Les réglages du nouveau pas d'hélice (charge Ch1') et de la nouvelle vitesse de rotation ω' de l'arbre moteur 40 sont effectués de manière à ce que la puissance développée par le moteur activé 4 soit maintenue à sa valeur initiale P1n, ou à une valeur proche de cette valeur initiale. Par « proche », on entend que la puissance développée par le moteur activé 4 correspond à +/-10 % de la puissance initiale P1n.
  • La charge Ch1' atteint alors une valeur supérieure à la charge maximale Ch1max sur un seul moteur à vitesse de rotation nominale ωn. En effet, les inventeurs ont pu constater de manière surprenante que si Ch1max = 100 % alors Ch1' = 105 %. Cependant, le couple moteur disponible C1' reste inférieur au couple maximal C1max sur un seul moteur à vitesse de rotation nominale ωn. Ceci est dû au fait que la forme de la courbe iso-couple est linéaire sur le diagramme de la figure 3a, alors que la forme de la courbe iso-charge est parabolique sur ledit diagramme.
  • En outre, le moteur 4 activé continue de fonctionner normalement à la puissance nominale P1n qui reste à 80 % de sa puissance maximale P1max, le couple moteur C1' atteint environ 90% du couple maximal C1max et la charge Ch1' dépasse les 100%. Le pas d'hélice 1 est alors supérieur avec une puissance et une consommation identiques à celles à 80% de charge.
  • De plus, le fait d'utiliser des moteurs thermiques 4, 5 suralimentés, permet de maintenir une puissance constante, entre le point de fonctionnement 1n et 1', malgré une vitesse de rotation du moteur en baisse. En effet, entre ces deux points de fonctionnement, la consommation reste identique (en 1', le moteur tourne moins vite mais l'injection est plus importante) ; de ce fait, la quantité de combustible brulé ainsi que les pertes des gaz d'échappement restent également identiques. Au point de fonctionnement 1', la turbosoufflante conserve alors la vitesse de rotation du point de fonctionnement 1n et l'apport en comburant (air) reste constant. La consommation étant toujours identique, la puissance reste donc constante.
  • Dans ces nouvelles conditions de navigation, le navire navigue à une nouvelle vitesse de croisière V1' qui est supérieure à la vitesse de croisière initiale V1n, par exemple de 16 noeuds. Cette vitesse V1' est alors par exemple de 17 noeuds lorsque la puissance P1n reste égale à environ 3900 kW, le couple sur l'arbre d'hélice (C1') augmentant par exemple à 285 kN.m (contre 240 kN.m, sur l'arbre d'hélice 2, pour C1n).
  • Il est aisé de vérifier que le procédé selon l'invention est mis en oeuvre, en étudiant les valeurs de la puissance propulsive PM, de la vitesse de rotation ω' et de la charge Ch1'. Un appareil de mesure 20, par exemple un torsiomètre installé sur l'arbre d'hélice 2, permet de mesurer la puissance motrice PM, la vitesse de rotation ω' ainsi que la charge Ch1', ces valeurs pouvant être affichées sur un écran 21 accessible depuis une salle de pilotage des machines. La vitesse V1' du navire est facilement déterminable par les instruments de navigation embarqués et notamment par des systèmes GPS.
  • En pratique, les réglages du nouveau pas d'hélice 1 et de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur 40, sont initiés par des consignes de commande émises depuis un automate programmable AP intégré dans l'unité de gestion Uc. Ces consignes de commande sont notamment émises en réponse à la réception d'une instruction de commande, générée depuis une platine de commande 10 connectée à l'automate programmable AP.
  • Sur la figure 2, cet automate programmable AP comprend une mémoire dans laquelle sont enregistrés un ou plusieurs programmes informatiques dont les instructions permettent de définir la valeur du nouveau pas de l'hélice 1 et la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur 40 du moteur activé 4, de sorte que la puissance développée par ledit moteur activé soit maintenue à sa valeur initiale P1n ou à une valeur proche de celle-ci.
  • Pour éviter de modifier par inadvertance ou par malveillance, la programmation de l'automate AP, l'accès à sa mémoire est avantageusement protégé par un code d'accès. Un utilisateur non autorisé ne peut donc pas intervenir sur l'automate AP.
  • Toujours dans un souci d'accroître la sécurité du système, l'alimentation électrique de l'unité de gestion Uc, y compris celle de l'automate AP, sont fournies par le réseau électrique de secours alimenté par le ou les groupes électrogènes 8 ou un autre groupe électrogène dédié dit « de secours ». A défaut, par un système autonome comportant une ou plusieurs batteries électriques de secours prévues pour alimenter l'unité de gestion Uc en cas de coupure d'alimentation.
  • Selon un mode préféré de réalisation, la consigne initiale de vitesse de rotation ωn du moteur 4 ainsi que la consigne de limite de charge Spc ne sont plus utilisées. C'est l'automate programmable AP qui envoie une consigne modifiée de limite de charge Spc' et une consigne modifiée de vitesse ω', lesquelles consignes sont traitées respectivement par la sous unité UC1 et la sous unité UC2. Dans ce cas, la sous-unité UC3 n'est pas nécessairement utilisée dans la mesure où le moteur 5 est désactivé et/ou désembrayé.
  • La nouvelle consigne de limite de charge Spc' est supérieure à la consigne initiale Spc. La sous-unité UC1 gère la charge des moteurs 4, 5. Par exemple, si la consigne initiale Spc correspond à 80%, la nouvelle consigne Spc' émise par l'automate programmable AP sera alors supérieure à 100 %.
  • Cette nouvelle consigne Spc' est traitée par la sous unité UC1 de manière à transmettre au variateur 3, une consigne de commande Sp' qui règle le pas de l'hélice 1 à une nouvelle valeur, selon la formule précédemment mentionnée : S pʹ = f S pl S pcʹ
    Figure imgb0004
  • Ainsi, si avant la mise en oeuvre de la deuxième phase du procédé, la passerelle actionne le levier 9 pour demander un pas maximum de « 10 » (sur une échelle de 0 à 10), la sous-unité UC1 émet une nouvelle consigne Sp' telle que le variateur 3 règle le pas de l'hélice à « 8 » (contre « 6,5 » avec la consigne de commande initiale Sp). Donc, pour une même consigne au levier 9, le pas de l'hélice 1 augmente, entraînant de ce fait une augmentation de la charge et du couple sur l'arbre d'hélice 2 et sur l'arbre moteur 40. Sur les figures 3a et 3b, la charge croît de la valeur Ch1n à la valeur Ch1' et le couple croît de la valeur C1n à la valeur C1'.
  • On peut envisager de modifier le pas de l'hélice 1 en modifiant la consigne demandée Spl plutôt que la consigne de limite de charge. Toutefois, il est préférable de ne pas intervenir sur cette consigne Spl afin de laisser à la passerelle (i.e. au pilote) la possibilité d'agir directement sur le levier 9 pour contrôler le navire et/ou modifier les conditions de navigation. D'un point de vue sécurité, il est donc préférable d'agir sur la consigne de limite de charge Sc plutôt que sur la consigne demandée Spl.
  • L'automate programmable AP transmet également la nouvelle consigne de vitesse ω' à la sous-unité UC2 qui gère les vitesses de rotation du moteur activé 4. La sous-unité UC2 transmet alors au régulateur de vitesse 41 une nouvelle consigne de commande Sω', selon la formule précédemment mentionnée : S ωʹ = g ωʹ
    Figure imgb0005
  • Sur la figure 3a, la vitesse de rotation de l'arbre moteur 40, diminue de la valeur ωn à la valeur ω'. Cette nouvelle vitesse ω' est maintenue constante par le régulateur de vitesse 41.
  • Les consignes initiales de limite de charge Spc et de vitesse de rotation nominale ωn ne sont plus utilisées, l'automate AP envoyant des consignes modifiées en amont des sous-unités UC1 et UC2.
  • En pratique, l'automate programmable AP émet la nouvelle consigne de limite de charge Spc' et la nouvelle vitesse ω' de manière à ce que, après traitement par lesdites sous-unités UC1 et UC2, la puissance développée par le moteur 4 soit maintenue à sa valeur initiale P1n.
  • En particulier, la sous-unité UC2 détermine un nouveau point de fonctionnement du moteur 4 (point de fonctionnement 1' sur les figures 3a et 3b) en régulant l'injection de combustible. La sous-unité UC2 gère directement la réduction de vitesse (ωn → ω') et indirectement l'augmentation de la charge (Ch1n → Ch1') en maintenant la nouvelle vitesse ω' constante.
  • La nouvelle consigne de limite de charge Spc' et la nouvelle vitesse de rotation ω' sont calculées pour que le nouveau couple C1' généré par la charge Ch1' ne dépasse pas le couple maximal C1max fixé par le constructeur. Les nouvelles consignes Spc et ω' ont donc des limites. Par mesure de précaution, ces limites sont telles que le nouveau couple généré C1' reste inférieur à 95 % du couple maximal admissible C1max. Par exemple, sur les figures 3a et 3b, si C1max est le couple maximal admissible, les valeurs de Spc' et ω' seront calculées de sorte que: C1' < 95% C1max.
  • La puissance P1n reste identique du fait que la quantité de carburant injecté dans le moteur 4 augmente à chaque cycle (à cause de l'augmentation de la charge : Ch1n → Ch1'), mais que la vitesse de rotation de l'arbre moteur 40 diminue (ωn → ω').
  • Le système objet de l'invention permet donc de créer un nouveau point de fonctionnement (point de fonctionnement 1' sur les figures 3a et 3b) et d'obtenir ainsi une charge Ch1' largement supérieure à la charge initiale Ch1n (plus de 100%), tout en conservant une puissance constante et un couple moteur C1' raisonnable (C1' inférieur à 95 % de C1max).
  • Un protocole de sécurité permet de ramener le pas d'hélice 1 à sa valeur initiale et donc le couple - ou charge - à sa valeur initiale (Ch1' → Ch1n). Il permet en outre de ramener la vitesse de rotation ω' de l'arbre moteur 40 à la vitesse nominale de rotation ωn.
  • Ce protocole de sécurité est mis en oeuvre lorsqu'au moins l'une des conditions suivantes fait défaut :
    • un seul des moteurs 4 ou 5 est embrayé sur la ligne d'arbre ;
    • l'alternateur attelé 7 est désactivé ;
    • le ou les groupes électrogènes 8 sont activés ;
    • la valeur du nouveau pas d'hélice 1 correspond à la nouvelle consigne de commande Sp', plus ou moins un écart prédéterminé, lequel écart peut par exemple être de +/- 5 % ;
    • la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur 40 du moteur activé 4 correspond à la nouvelle consigne de commande ω', plus ou moins un écart prédéterminé, lequel écart peut par exemple être de +/- 5 %.
  • La valeur réelle du nouveau pas d'hélice 1 et la valeur réelle de la nouvelle vitesse de rotation ω' sont contrôlées respectivement : - par la ligne de contrôle 30 reliée d'une part au variateur 3 et d'autre part à la sous-unité UC1 et à l'automate AP; - par les capteurs de vitesse 43, 53 installés sur les arbres 40, 50 et qui sont adaptés pour transmettre leurs signaux de mesure aux sous-unités UC2 et UC3 ainsi qu'à l'automate AP.
  • Lorsque le procédé est mis en oeuvre, il est préférable de ne pas modifier la configuration de la ligne d'arbre, sauf à risquer d'endommager les différents éléments qui la constituent. Ainsi, le protocole de sécurité interdit préférentiellement certaines actions lorsque le procédé est mis en oeuvre tant que sont générées les nouvelles consignes de commandes du pas d'hélice 1 et de la vitesse de rotation ω'. Ces actions bloquées sont notamment les suivantes :
    • sur la ligne d'arbre : activer le moteur 5 initialement désactivé ;
    • sur la ligne d'arbre : coupler au réducteur 6 un arbre moteur 50 initialement désaccouplé ;
    • activer l'alternateur attelé 7.
  • Le système objet de l'invention peut se commander par l'intermédiaire de la platine 10 schématisée sur la figure 2. Généralement, les moteurs à combustion interne 4, 5 et l'arbre d'hélice 2 sont situés dans une salle des machines. La platine 10 peut être installée localement directement dans la salle des machines, ou à distance, dans un poste de pilotage du navire, lequel poste de pilotage est distant de ladite salle des machines.
  • Sur la figure 2, la platine 10 présente un organe 10a, par exemple du type bouton poussoir, qui lorsqu'il est activé, permet de générer l'instruction initiant automatiquement le réglage du nouveau pas d'hélice et de la nouvelle vitesse de rotation ω' de l'arbre moteur 40.
  • La platine 10 présente également un organe 10b adapté pour ramener le système à « zéro » en générant une instruction ramenant automatiquement le pas d'hélice à sa valeur initiale, et la vitesse de rotation ω' de l'arbre moteur 40 à la vitesse nominale ωn.
  • La platine 10 peut également être pourvue d'un ou plusieurs voyants lumineux 10c adaptés pour signaler le défaut d'au moins l'une des conditions suivantes :
    • sur la ligne d'arbre : un seul des moteurs 4, 5 est embrayé ;
    • l'alternateur attelé 7 est désactivé ;
    • le ou les groupes électrogènes 8 sont activés ;
    • la valeur du nouveau pas d'hélice correspond à la nouvelle consigne de commande Sp', plus ou moins un écart prédéterminé (ex : +/- 5 %) ;
    • la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur 40 du moteur activé 4 correspond à la nouvelle consigne de commande Sω', plus ou moins un écart prédéterminé (ex : +/- 5 %).
  • La figure 4 est un grafcet représentant un mode de fonctionnement de l'unité de gestion électronique, et plus particulièrement de l'automate programmable AP. Sur ce Grafcet :
    • CDS est une transition qui signifie que la Chaîne De Sécurité est validée. Cette chaine de sécurité correspond au protocole de sécurité susmentionné, toutes les conditions suivantes étant réunies : - un seul des moteurs 4 ou 5 est embrayé sur la ligne d'arbre ; - l'alternateur attelé 7 est désactivé ; - le ou les groupes électrogènes 8 sont activés ; - la valeur du nouveau pas d'hélice 1 correspond à la nouvelle consigne de commande Sp', plus ou moins un écart prédéterminé, lequel écart peut par exemple être de +/- 5 % ; - la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur 40 du moteur activé 4 correspond à la nouvelle consigne de commande ω', plus ou moins un écart prédéterminé, lequel écart peut par exemple être de +/- 5 % ;
    • est une transition qui signifie que la Chaîne De Sécurité n'est pas validée, c'est-à-dire qu'au moins l'une des conditions susmentionnées fait défaut ;
    • DMCI est une transition qui signifie la Demande de Modification des Consignes Initiales est validée, c'est-à-dire qu'un nouveau pas d'hélice et qu'une nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur sont demandés ;
    • DRCI est une transition qui signifie que la Demande de Retour aux Consignes Initiales est validée, c'est-à-dire que le pas d'hélice et la vitesse de rotation de l'arbre moteur retournent à leur valeur initiale ;
    • AD est une transition qui signifie que l'Acquit Défaut est validé, c'est-à-dire qu'une personne a vu et validé un défaut dans la Chaîne De Sécurité.
  • Sur le Grafcet de la figure 4, à l'étape initiale 0, le navire navigue en mode propulsif (première phase du procédé objet de l'invention).
  • Si la Chaîne De Sécurité est validée et que l'utilisateur demande de modifier les consignes initiales de pas d'hélice et de vitesse de rotation de l'arbre moteur (transition CDS.DMCI), alors l'étape 1 est activée. Si au contraire un défaut ne valide pas la Chaîne De Sécurité (transition), alors l'étape 3 est activée, l'action A3 associée à cette étape 3 consistant à empêcher l'activation du système, et plus particulièrement le passage à la deuxième phase du procédé objet de l'invention.
  • L'action A1 associée à l'étape 1 consiste à activer le système pour régler le nouveau pas de l'hélice et la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur. Certaines actions sont également bloquées : impossibilité d'activer le moteur 5 initialement désactivé sur la ligne d'arbre ; - impossibilité de coupler au réducteur 6 l'arbre moteur 50 initialement désaccouplé sur la ligne d'arbre ; - impossibilité d'activer l'alternateur attelé 7.
  • A l'issue de cette étape 1, si la Chaîne De Sécurité est toujours validée et que l'utilisateur demande de retourner aux consignes initiales de pas d'hélice et de vitesse de rotation de l'arbre moteur (transition CDS.DRCI), alors l'étape 2 est activée. Si au contraire un défaut ne valide pas la Chaîne De Sécurité (transition ), alors l'étape 4 est activée.
  • L'action A2 associée à l'étape 2 consiste à modifier le pas de l'hélice et la vitesse de rotation de l'arbre moteur, pour retourner aux valeurs initiales. Les actions bloquées susmentionnées sont en outre débloquées et le système est désactivé. A l'issue de l'étape 2, si la Chaîne De Sécurité est toujours validée (transition CDS), alors on revient à l'étape initiale 0. Si la Chaîne De Sécurité n'est pas validée (transition), alors l'étape 4 est activée.
  • L'action A4 associée à l'étape 4 consiste à régler le pas de l'hélice et la vitesse de rotation de l'arbre moteur aux valeurs initiales. Les actions bloquées susmentionnées sont en outre débloquées de sorte qu'il est possible : - d'activer le moteur 5 initialement désactivé sur la ligne d'arbre ; - de coupler au réducteur 6 l'arbre moteur 50 initialement désaccouplé sur la ligne d'arbre ; - d'activer l'alternateur attelé 7. Le système se déconnecte, reste déconnecté (avec impossibilité d'activer le système) et en défaut. Le défaut est conservé dans la mémoire de l'automate programmable AP tant qu'une validation humaine n'a pas eut lieu.
  • A l'issue de l'étape 4, si un défaut continue de ne pas valider la Chaîne De Sécurité, et si ledit défaut a été vu et acquitté par une personne (transition .AD), alors l'étape 5 est activée.
  • L'action A5 associée à l'étape 5 consiste à désactiver le défaut dans la Chaîne de Sécurité avec une impossibilité d'activer le système.
  • A l'issue de l'étape 5, si le défaut est acquitté et qu'il n'est plus actif, la Chaîne De Sécurité est à nouveau validée (transition CDS), et on revient alors à l'étape initiale 0.
  • L'agencement des différents éléments et/ou moyens et/ou étapes de l'invention, dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, ne doit pas être compris comme exigeant un tel agencement dans toutes les implémentations. En tout état de cause, on comprendra que diverses modifications peuvent être apportées à ces éléments et/ou moyens et/ou étapes, sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention. En particulier :
    • Chaque ligne d'arbre peut comporter plus de deux moteurs, par exemple trois ou quatre.
    • La valeur du nouveau pas d'hélice et la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur du moteur activé peuvent être déterminées directement par les sous-unités UC1 et UC2.
    • Etant donné que la puissance P1n reste constante et que le couple développé C1' sur l'arbre de rotation 40 reste inférieur à 95 % du couple maximal C1max autorisé par le constructeur, la nouvelle consigne de limite de charge Spc' peut correspondre à plus de 100% de la consigne demandée Spl, par exemple 105% ou 110%.
    • Les platines 10 et 100 peuvent être confondues en une seule et même platine.
    • Les nouvelles consignes de commandes peuvent être générées temporairement durant la période de navigation du navire, ou au contraire pendant toute la durée de navigation dudit navire.

Claims (9)

  1. Procédé pour modifier la propulsion d'un navire, laquelle propulsion est assurée par au moins une ligne d'arbre, ledit procédé consistant à :
    - installer une ligne d'arbre comprenant :
    o une hélice (1) à pas variable solidaire d'un arbre d'hélice (2),
    o un variateur (3) adapté pour faire varier le pas d'hélice (1) de sorte que, en usage, la modification dudit pas entraîne une modification du couple sur l'arbre d'hélice (2),
    o deux moteurs (4, 5) suralimentés à combustion interne comprenant chacun un arbre moteur (40, 50), un ou deux moteurs étant activés pour assurer la propulsion du navire,
    o un régulateur de vitesse (41, 51) associé à chacun des moteurs (4, 5), lequel régulateur est adapté pour maintenir la vitesse de rotation de l'arbre moteur (40, 50) du moteur (4, 5) auquel il est associé, à une vitesse de rotation (ω) correspondant à une consigne de commande (Sω),
    o un réducteur (6) adapté pour modifier le rapport de vitesse et le couple entre chaque arbre moteur (40, 50) et l'arbre d'hélice (2),
    o des accouplements débrayables (41, 51) adaptés pour coupler chaque arbre moteur (40, 50) au réducteur (6),
    o un alternateur attelé (7) adapté pour fournir de l'énergie électrique (Pe) au navire lorsqu'il est activé, lequel alternateur est accouplé à au moins un des arbres moteurs (40, 50) par l'intermédiaire du réducteur (6),
    - installer dans le navire un ou plusieurs groupes électrogènes (8) adaptés pour fournir de l'énergie électrique audit navire lorsqu'ils sont activés,
    - faire naviguer le navire en activant un ou deux moteurs (4, 5) par ligne d'arbre et transmettre : - au variateur (3), une consigne de commande (Sp) adaptée pour régler le pas d'hélice (1) à une valeur initiale ; - au régulateur de vitesse (41, 51), une consigne de commande (Sω) adaptée pour maintenir la vitesse de rotation de l'arbre moteur du ou des moteurs (4, 5) activés, à une vitesse nominale de rotation prédéfinie (ωn) ;
    se caractérisant par le fait que le procédé consiste à faire naviguer le navire dans une configuration où :
    - l'alternateur attelé (7) est désactivé,
    - le ou les groupes électrogènes (8) sont activés,
    - un seul moteur (4) par ligne d'arbre est activé avec son arbre moteur (40) couplé au réducteur (6) pour assurer la propulsion du navire, l'autre moteur (5) étant désactivé et/ou a son arbre moteur (50) désaccouplé dudit réducteur, de sorte que la puissance initiale (P1n) développée par ledit moteur activé (4), en fonction de la valeur initiale du pas d'hélice (1) et de la vitesse nominale (ωn) de rotation de l'arbre moteur (40) dudit moteur activé (4), génère une vitesse de croisière initiale (V1n) du navire,
    et par le fait que dans cette configuration de navigation, ledit procédé consiste à émettre de nouvelles consignes de commandes (Sp', Sω') adaptées pour régler :
    - un nouveau pas d'hélice (1) qui augmente le couple sur l'arbre d'hélice (2),
    - une nouvelle vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) du moteur activé (4) qui est inférieure à la vitesse nominale de rotation (ωn) dudit arbre moteur,
    les réglages du nouveau pas d'hélice (1) et de la nouvelle vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) étant effectués de manière à ce que la puissance développée par le moteur activé (4) soit maintenue à sa valeur initiale (P1n), ou à une valeur proche de cette valeur initiale, et que le navire navigue à une nouvelle vitesse de croisière (V1') supérieure à la vitesse de croisière initiale (V1n).
  2. Procédé selon la revendication 1, consistant à intégrer un protocole de sécurité qui ramène le pas d'hélice (1) à sa valeur initiale et la vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) du moteur activé (4) à la vitesse nominale de rotation (ωn), lequel protocole est mis en oeuvre lorsqu'au moins l'une des conditions suivantes fait défaut :
    - un seul des moteurs (4, 5) est embrayé sur la ligne d'arbre ;
    - l'alternateur attelé (7) est désactivé ;
    - le ou les groupes électrogènes (8) sont activés ;
    - la valeur du nouveau pas d'hélice (1) correspond à la nouvelle consigne de commande (Sp') plus ou moins un écart prédéterminé ;
    - la valeur de la nouvelle vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) du moteur activé (4) correspond à la nouvelle consigne de commande (Sω'), plus ou moins un écart prédéterminé.
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, tant que les nouvelles consignes de commandes sont générées, au moins l'une des actions suivantes est bloquée :
    - sur la ligne d'arbre : activer le moteur (5) initialement désactivé ;
    - sur la ligne d'arbre : coupler au réducteur (6) un arbre moteur (50) initialement désaccouplé ;
    - sur la ligne d'arbre : activer l'alternateur attelé (7).
  4. Système pour modifier la propulsion d'un navire, comportant
    - au moins une ligne d'arbre assurant la propulsion du navire, laquelle ligne d'arbre comprend :
    o une hélice (1) à pas variable solidaire d'un arbre d'hélice (2),
    o un variateur (3) adapté pour faire varier le pas d'hélice (1) de sorte que, en usage, la modification dudit pas entraîne une modification du couple sur l'arbre d'hélice (2),
    o deux moteurs (4, 5) suralimentés à combustion interne comprenant chacun un arbre moteur (40, 50), un ou deux moteurs étant activés pour assurer la propulsion du navire,
    o un régulateur de vitesse (41, 51) associé à chacun des moteurs (4, 5), lequel régulateur est adapté pour maintenir la vitesse de rotation de l'arbre moteur (40, 50) du moteur (4, 5) auquel il est associé, à une vitesse de rotation (ω) correspondant à une consigne de commande (Sω),
    o un réducteur (6) adapté pour modifier le rapport de vitesse et le couple entre chaque arbre moteur (40, 50) et l'arbre d'hélice (2),
    o des accouplements débrayables (42, 52) adaptés pour coupler chaque arbre moteur (40, 50) au réducteur (6),
    o un alternateur attelé (7) adapté pour fournir de l'énergie électrique (Pe) au navire lorsqu'il est activé, lequel alternateur est accouplé à au moins un des arbres moteurs (40, 50) par l'intermédiaire du réducteur (6),
    - un ou plusieurs groupes électrogènes (8) adaptés pour fournir de l'énergie électrique (Pe) au navire lorsqu'ils sont activés,
    - une unité de gestion électronique (Uc) pour gérer le fonctionnement de la ligne d'arbre et l'activation du ou des groupes électrogènes (8), ladite unité de gestion étant adaptée pour transmettre : - au variateur (3), une consigne de commande (SP) qui règle le pas de l'hélice (1) à une valeur initiale ; - au régulateur de vitesse (41, 51) associé à chaque moteur (4, 5) activé, une consigne de commande (Sω) qui maintient la vitesse de rotation de son arbre moteur (40, 50) à une vitesse nominale de rotation (ωn) prédéfinie ;
    se caractérisant par le fait qu'en réponse à la réception d'une instruction de commande, l'unité de gestion (Uc) :
    - émet une consigne de commande qui désactive l'alternateur attelé (7), et une consigne de commande qui active le ou les groupes électrogènes (8),
    - émet une consigne de commande qui active un seul moteur (4) par ligne d'arbre, son arbre moteur (40) étant couplé au réducteur (6) pour assurer la propulsion du navire, et une consigne de commande pour désactiver l'autre moteur (5) et/ou désaccoupler son arbre moteur (50) dudit réducteur, de sorte que la puissance initiale (P1n) développée par ledit moteur activé (4), en fonction de la valeur initiale du pas d'hélice (1) et de la vitesse nominale (ωn) de rotation de l'arbre moteur (40) dudit moteur activé (4), génère une vitesse de croisière initiale (V1n) du navire,
    et par le fait que dans cette configuration de navigation, en réponse à la réception d'une autre instruction de commande, l'unité de gestion (Uc):
    - émet une nouvelle consigne de commande (Sp'), par ligne d'arbre, qui règle un nouveau pas d'hélice (1) pour augmenter le couple (Ch1') sur l'arbre d'hélice (2),
    - émet une nouvelle consigne de commande (Sω'), par ligne d'arbre, qui règle une nouvelle vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) du moteur activé (4) qui est inférieure à la vitesse nominale de rotation (ωn) dudit arbre moteur,
    les réglages du nouveau pas d'hélice (1) et de la nouvelle vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) étant effectués de manière à ce que la puissance développée par le moteur activé (4) soit maintenue à sa valeur initiale (P1n), ou à une valeur proche de cette valeur initiale, et que le navire navigue à une nouvelle vitesse de croisière (V1') supérieure à la vitesse de croisière initiale (V1n).
  5. Système selon la revendication 4, dans lequel l'unité de gestion électronique (Uc) intègre un automate programmable (AP) comprenant une mémoire dans laquelle sont enregistrés un ou plusieurs programmes informatiques dont les instructions permettent de définir la valeur du nouveau pas de l'hélice (1) et la valeur de la nouvelle vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) du moteur activé (4), de sorte que la puissance développée par ledit moteur activé soit maintenue à sa valeur initiale (P1n), ou à une valeur proche de cette valeur initiale.
  6. Système selon la revendication 5, dans lequel l'accès à la mémoire de l'automate programmable (AP) est protégé par un code d'accès.
  7. Système selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel une ou plusieurs batteries électriques de secours sont adaptées pour alimenter l'unité de gestion électronique (Uc).
  8. Système selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'automate programmable (AP) est associée à une platine de commande (10), laquelle platine présente au moins l'un des éléments suivants :
    o un organe (10a) adapté pour générer l'instruction initiant automatiquement le réglage du nouveau pas d'hélice et de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur,
    o un organe (10b) adapté pour générer l'instruction ramenant automatiquement le pas d'hélice à sa valeur initiale, et la vitesse de rotation (ω') de l'arbre moteur (40) du moteur (4) activé à la vitesse nominale de rotation (ωn) ;
    o un ou plusieurs voyants lumineux (10c) adaptés pour signaler le défaut d'au moins l'une des conditions suivantes :
    ▪ sur la ligne d'arbre : un seul moteur (4, 5) est embrayé ;
    ▪ l'alternateur attelé (7) est désactivé ;
    ▪ le ou les groupes électrogènes (8) sont activés ;
    ▪ la valeur du nouveau pas d'hélice correspond à la nouvelle consigne de commande (Sp'), plus ou moins un écart prédéterminé ;
    ▪ la valeur de la nouvelle vitesse de rotation de l'arbre moteur (40) du moteur activé (4) correspond à la nouvelle consigne de commande (Sω'), plus ou moins un écart prédéterminé.
  9. Système selon la revendication 8, dans lequel les moteurs à combustion interne (4, 5) et l'arbre d'hélice (2) sont situés dans une salle des machines, la platine de commande (10) est installée dans un poste de pilotage du navire, lequel poste de pilotage est distant de ladite salle des machines.
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