WO1993007053A1 - Dispositif d'echappement sous-marin pour moteur a combustion interne d'un navire - Google Patents

Dispositif d'echappement sous-marin pour moteur a combustion interne d'un navire Download PDF

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Philippe Hoquet
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Richard Mattout
Pierre Sagnes
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    • F01N13/12—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 specially adapted for submerged exhausting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/32—Arrangements of propulsion power-unit exhaust uptakes; Funnels peculiar to vessels

Definitions

  • the invention relates to an underwater exhaust device for an internal combustion engine * such as a diesel engine, mounted on board a ship.
  • exhaust gases from these engines are generally released into the atmosphere via chimneys, which has a certain number of drawbacks: exhaust noises, unpleasant odors of burnt gases, smoke panels in the sky allowing to identify the position of the ship by sight or by an infrared detection system, etc.
  • the object of the invention is in particular to avoid these drawbacks in an underwater exhaust of an internal combustion engine of a ship.
  • an underwater exhaust device for an internal combustion engine of a ship comprising a tube connecting the engine exhaust manifold to a gas outlet orifice, opening onto the external surface of the hull. below the waterline, characterized in that this outlet port is oriented towards the rear, substantially tangentially to the hull, and. is located approximately at the neck of a profiled water circulation duct attached to the hull of the ship and forming a venturi open at both ends.
  • This arrangement allows, when the vessel is moving forward, to create a suction at the orifice exhaust gas and avoid back pressure in the engine exhaust manifold.
  • This arrangement is dimensioned so as to be effective as soon as the speed of the ship is greater than about three or four knots.
  • the dimensions in height and in width of the inlet section of the water circulation duct are greater than the half thickness of the boundary layer of the flow developed on the hull of the ship,
  • the mass flow and the speed of the water in the minimum section of this duct are such that their product remains greater than twice the product of the mass flow and the speed of the gases at the gas outlet orifice,
  • the transverse area of the gas outlet orifice on the surface of the hull is at least equal to half that of the engine exhaust manifold.
  • engine exhaust manifold is also connected to an aerial chimney, valve or valve means making it possible to close the underwater exhaust and to open the aerial exhaust when the ship is maneuvering at low speed or moves in reverse.
  • Figure 1 is a partial schematic sectional view of a ship equipped with an underwater exhaust device according to the invention
  • Figure 2 is a schematic view on a larger scale, in longitudinal section, of the device underwater exhaust according to the invention.
  • FIG. 1 Very schematically shown in FIG. 1 is the arrangement of a device according to the invention in a ship which is equipped with an internal combustion engine 10 such as a diesel engine, the exhaust manifold 12 of which is connected by valves or valves 14 " , on the one hand to an overhead chimney 16 and on the other hand to a pipe or tubing 18 leading to an orifice 20 for the exhaust gas outlet opening onto the external surface of the hull 22, below the buoyancy line 24 of the ship.
  • an internal combustion engine 10 such as a diesel engine
  • the exhaust manifold 12 of which is connected by valves or valves 14 " , on the one hand to an overhead chimney 16 and on the other hand to a pipe or tubing 18 leading to an orifice 20 for the exhaust gas outlet opening onto the external surface of the hull 22, below the buoyancy line 24 of the ship.
  • the pipe or pipe 18 of exhaust gas passes through the hull 22 and ends with the outlet orifice 20 which is oriented substantially tangentially to the outer surface of the hull 22 and is ' directed horizontally towards the 'back.
  • fixed vanes 26 for guiding the exhaust gases can be provided at the end of the pipe 18, immediately upstream of the outlet orifice 20.
  • This outlet orifice 20 projecting from the car • is surrounded by a water circulation duct 28, attached to the hull 22 and profiled to form a venturi oriented substantially horizontally, the outlet orifice 20 being approximately at the Ven ⁇ turi pass.
  • This duct 28 comports an internal wall pro ⁇ spun 30 which remotely surrounds the end of the pipe 18 and its outlet orifice 20, as well as a profiled surface 32 which connects the front end of the duct 28 to the orifice outlet 20 of the exhaust gas line • 18.
  • this device is calculated and sized to, on the one hand, be adapted to the ship on which it is to be mounted and to the engines equipping this ship and, on the other hand, to be as efficient as possible, even at low speeds of displacement of the vessel.
  • the general geometry of this device must comply with the following conditions:
  • the height H or horizontal dimension of the inlet section 38 of the duct 28 is greater than the half-thickness of the boundary layer of the flow developed on the hull of the ship,
  • the width or vertical dimension of the inlet section 38 of the conduit 28 is greater than the height H
  • the ratio of the minimum section Sm of the duct 28, or section at the neck of the venturi, and of the inlet section 38 is greater than 0.3
  • - the section of the pipe 18 at the outlet orifice 20 is greater than half of the section of the exhaust manifold, - the product of the mass flow of water and the speed of the water at the section Sm of the duct 28 is greater than twice the product of the mass flow of gas and the speed of gas at the outlet orifice 20.
  • the underwater exhaust device according to the invention can be used without drawbacks as soon as the speed of the ship reaches 3 or 4 knots, and has maximum efficiency when the speed is greater than or equal to 7 or 8 knots approximately.
  • the system of valves or valves 14 makes it possible to close the exhaust pipe 18 submarine and open the overhead chimney 16.
  • the invention proposes several means which can be used independently or in combination:

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Abstract

Dispositif d'échappement sous-marin pour un navire, comprenant une conduite (18) de gaz d'échappement présentant un orifice (20) de sortie de gaz débouchant à l'extérieur de la coque (22) sous la ligne de flottaison, dans un conduit rapporté (28) de circulation d'eau, formant un venturi au col duquel est situé l'orifice (20) de sortie des gaz d'échappement.

Description

DISPOSITIF D'ECHAPPEMENT SOϋS-MARIN POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE D'UN NAVIRE
L'invention concerne un dispositif d'échap- pement sous-marin pour un moteur à combustion interne* tel qu'un moteur diesel, monté à bord d'un navire.
Les gaz d'échappement de ces moteurs sont en général rejetés dans l'atmosphère par des cheminées, ce qui présente un certain nombre d'inconvénients : bruits d'échappement, odeurs désagréables de gaz brûlés, pa- naches de fumée dans le ciel permettant de repérer la po¬ sition du navire à la vue ou par un système de détection à infra-rouge, etc.
On a . déjà proposé des systèmes d'échappement sous-marin, comprenant un conduit d'échappement débσu- chant à l'extérieur de la coque sous la ligne de flottai¬ son du navire, afin d'éviter les inconvénients précités.
Toutefois, ces systèmes n'ont pas donné satisfaction, en raison de la création d'une contre- pression dans le conduit d'échappement des gaz, se traduisant par une surchauffe du moteur et des risques de détérioration de celui-ci.
L'invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients dans un échappement sous-marin de moteur à combustion interne de navire. Elle propose, à cet effet, un dispositif d'échappement sous-marin pour moteur à combustion interne de navire, comprenant une tubulure reliant le collecteur d'échappement du moteur à un orifice de sortie de gaz, débouchant sur la surface externe de la coque en dessous de la ligne de flottaison, caractérisé en ce que cet ori¬ fice de sortie est orienté vers l'arrière, sensiblement tangentiellement à la coque, et . est situé approximativement au col d'un conduit profilé de circulation d'eau rapporté sur la coque du navire et formant un venturi ouvert à ses deux extrémités.
Cet agencement permet, quand le navire se dé- place vers l'avant, de créer une aspiration à l'orifice d'échappement des gaz et d'éviter une contre-pression dans le collecteur d'échappement du moteur.
Cet agencement est dimensionné de façon à être efficace dès que la vitesse du navire est supérieure à trois ou quatre noeuds environ.
Pour cela, un certain nombre de conditions doivent être satisfaites :
- les dimensions en hauteur et en largeur de la section d'entrée du conduit de circulation d'eau sont supérieures à la demi-épaisseur de la couche limite de 1'écoulement développée sur la carène du navire,
- le rapport de la section minimale et de la section d'entrée de ce conduit est supérieur à 0,3,
- le débit massique et la vitesse de l'eau dans la section minimale de ce conduit sont tels que leur produit reste supérieur à deux fois le produit du débit massique et de la vitesse des gaz à l'orifice de sortie des gaz,
- 1'aire transversale de 1'orifice de sortie des gaz sur la surface de la coque est au moins égale à la moitié de celle du collecteur d'échappement du moteur.
Par ailleurs, le collecteur d'échappement du moteur est également relié à une cheminée aérienne, des moyens à vannes ou clapets permettant de fermer l'échappement sous-marin et d'ouvrir l'échappement aérien quand le navire manoeuvre à faible vitesse ou se déplace en marche arrière.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux des¬ sins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe d'un navire équipé d'un dispositif d'échappement sous-marin selon 1'invention; la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle, en coupe longitudinale, du dispositif d'échappement sous-marin selon l'invention.
On a représenté très schématiquement en fi¬ gure 1 l'agencement d'un dispositif selon l'invention dans un navire qui est équipé d'un moteur à combustion interne 10 tel qu'un moteur diesel, dont le collecteur d'échappement 12 est relié par des vannes ou clapets 14", d'une part à une cheminée aérienne 16 et d'autre part à une conduite ou tubulure 18 menant à un orifice 20 de sortie de gaz d'échappement débouchant sur la surface ex- térieure de la coque 22, en dessous de la ligne de flot¬ taison 24 du navire.
Comme on le. voit mieux en figure 2, la conduite ou tubulure 18 de gaz d'échappement traverse la carène 22 et se termine par l'orifice de sortie 20 qui est orienté sensiblement tangentiellement à la surface extérieure de la carène 22 et est' dirigé horizontalement vers l'arrière.
Comme représenté, des aubes fixes 26 de gui¬ dage des gaz d'échappement peuvent être prévues à l'extrémité de la conduite 18, immédiatement en amont de - l'orifice de sortie 20.
Cet orifice de sortie 20 en saillie sur la ca- • rêne est entouré par un conduit 28 de circulation d'eau, rapporté sur la carène 22 et profilé pour former un ven- turi orienté sensiblement horizontalement, l'orifice de sortie 20 se trouvant approximativement au col du ven¬ turi.
Ce conduit 28.comporte une paroi interne pro¬ filée 30 qui entoure à distance l'extrémité de la conduite 18 et son orifice de sortie 20, ainsi qu'une surface profilée 32 qui raccorde l'extrémité avant du conduit 28 à l'orifice de sortie 20 de la conduite • 18 de gaz d'échappement.
On comprend que, quand le navire se déplace vers l'avant dans le sens indiqué par la flèche 34, l'eau circule dans le conduit 28 en mouvement relatif par rap¬ port au navire dans le sens indiqué par les flèches 36 et que cette circulation d'eau dans le conduit 28 se traduit par une aspiration au niveau de l'orifice de sortie 20 des gaz d'échappement.
Comme indiqué plus haut, ce dispositif est calculé et dimensionné pour, d'une part, être adapté au navire sur lequel il doit être monté et aux moteurs équi¬ pant ce navire et, d'autre part, être le plus efficace possible, même aux vitesses faibles de déplacement du na¬ vire. Selon l'invention, la géométrie générale de ce dispositif doit respecter les conditions suivantes :
- la hauteur H ou dimension horizontale de la section d'entrée 38 du conduit 28 est supérieure à la demi-épaisseur de la couche limite de l'écoulement déve- loppée sur la carène du navire,
- la largeur ou dimension verticale de la sec¬ tion d'entrée 38 du conduit 28 est supérieure à la hau¬ teur H,
- le rapport de la section minimale Sm du conduit 28, ou section au col du venturi, et de la sec¬ tion d'entrée 38 est supérieur à 0,3,
- la section de la conduite 18 au niveau de l'orifice de sortie 20 est supérieure à la moitié de la section du collecteur d'échappement, - le produit du débit massique d'eau et de la vitesse de l'eau à la section Sm du conduit 28 est supé¬ rieur à 2 fois le produit du débit massique de gaz et de la vitesse de gaz à l'orifice de sortie 20.
Dans ces conditions, le dispositif d'échappement sous-marin selon l'invention peut être uti¬ lisé sans inconvénients dès que la vitesse du navire at¬ teint 3 ou 4 noeuds, et présente une efficacité maximum lorsque la vitesse est supérieure ou égale à 7 ou 8 noeuds environ. Aux plus faibles vitesses, ou quand le navire se déplace en marche arrière, le système de vannes ou de clapets 14 permet de fermer la conduite 18 d'échappement sous-marin et d'ouvrir la cheminée aérienne 16.
Au cours d'essais sur des navires, on a constaté que le mélange eau-gaz d'échappement dans le conduit 28 à la sortie de l'orifice 20 produisait des vi- brations dont la fréquence pouvait dans certaines conditions coïncider avec la fréquence de résonance de la conduite ou tubulure 18, de sorte que ces vibrations pou¬ vaient alors remonter au moteur et créer une contre-pres¬ sion variable et défavorable. Elles étaient de plus sus- ceptibles de se coupler avec les vibrations du moteur, d'où un risque d'excitation du moteur sur ses suspen¬ sions.
Pour éviter ces inconvénients, susceptibles d'apparaître à certains régimes de fonctionnement du mo- teur, l'invention propose plusieurs moyens qui sont uti¬ lisables indépendamment ou en combinaison :
- cloisonner ou partager la conduite ou tubu¬ lure 18 en plusieurs conduites parallèles ayant chacune une section plus faible et donc une fréquence de réson- nance plus, élevée, les orifices de sortie de ces conduites parallèles étant voisins au col du conduit 28 de circulation d'eau, comme réprésenté schématiquement en figure 1,
- modifier la partie aval de la surface profi- lée 30 du conduit 28, pour modifier le profil tourbillon- naire de l'écoulement eau-gaz en aval de l'orifice ou des orifices de sortie 20.
Pour cela, on peut élargir de façon brusque la section du conduit 28, par exemple au moyen d'un décro- chement 40 de la surface profilée 30, et/ou prolonger vers l'aval le conduit 28, et/ou y former des fentes transversales 42 en aval du ou des orifices de sortie 20, comme représenté schématiquement en figure 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'échappement sous-marin pour moteur à combustion interne d'un navire, comprenant une tubulure (18) reliant le collecteur d'échappement du o- teur (10) à un orifice (20) de sortie de gaz, débouchant sur la surface extérieure de la coque du navire en des¬ sous de la ligne de flottaison (24) , caractérisé en ce que cet orifice de sortie (20) est orienté vers l'arrière, sensiblement tangentiellement à la coque (22) et est situé approximativement au col d'un conduit profilé (28) de circulation d'eau rapporté sur la coque du navire et formant un venturi ouvert à ses deux extrémités."
2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'orientation de l'orifice (20) de sor¬ tie des gaz et la direction générale du conduit (28) de circulation d'eau sont sensiblement horizontales.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une surface profilée (32) relie l'extrémité avant du conduit (28) de circulation d'eau et l'orifice (20) de sortie des gaz d'échappement.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice (20) de sor¬ tie des gaz d'échappement comprend des aubes fixes (26) de guidage des gaz.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dimensions en hau¬ teur et en largeur de la section d'entrée (38) du conduit (28) de circulation d'eau sont supérieures à la moitié de l'épaisseur de la couche limite de l'écoulement dévelop¬ pée sur la coque (22) .
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la sec¬ tion minimale Sm et de la section d'entrée (38) dudit conduit (28) est supérieur à 0,3.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit massique d'eau et la vitesse de l'eau dans le conduit (28) à sa section minimale Sm sont tels que leur produit est supé¬ rieur à 2 fois le produit du débit massique de gaz et de la vitesse des gaz à l'orifice de sortie (20) précité.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aire transversale de l'orifice de sortie (20) des gaz sur la surface de la coque est au moins égale à la moitié de celle du collec- - teur d'échappement du moteur.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tubulure (18) est partagée en plusieurs conduites parallèles présentant chacune un orifice de sortie situé approximativement au col du conduit (28) de circulation d'eau.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface interne
(30) du conduit (28) de circulation d'eau comporte, en aval du ou de chaque orifice de sortie (20), un décroche- ment (40) ou une autre modification brusque de section.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit (28) de circulation d'eau comprend, en aval du ou de chaque ori¬ fice de sortie (20), des fentes transversales (42).
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collecteur d'échappement du moteur est également relié à une chemi¬ née aérienne (16) , par des moyens à vannes ou clapets (14) permettant de fermer l'échappement sous-marin et d'ouvrir l'échappement aérien quand le navire manoeuvre à faible vitesse ou se déplace en marche arrière.
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