WO2002098731A1 - Propulseur de navire en nacelle par hydrojet et entraine par un moteur electrique creux - Google Patents

Propulseur de navire en nacelle par hydrojet et entraine par un moteur electrique creux Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the field of propulsion of submersible and unsinkable ships, by means of submerged propellants, outside the hull, for example under or next to the hull of a submersible ship, such as a boat. , or on either side of the hull of a submarine. It relates more particularly to such a hydrojet propulsion unit, driven by an electric motor.
  • a nacelle can be oriented in azimuth, the direction of propulsion can be chosen by the rotation of said nacelle.
  • This type of thruster therefore allows a ship to perform any maneuver in port, to stabilize on the way or to do dynamic positioning, without the use of another mechanism.
  • Such a nacelle can also be oriented around a horizontal axis to allow the attitude or the depth of a submarine to be changed.
  • the object of the invention is to propose a third type of submerged naval propellant placed in a nacelle, while avoiding the drawbacks linked to these two types of propellants.
  • the main object of the invention is therefore a ship thruster, in a nacelle, using both the technique of the hydrojet and the propulsion by a hollow electric motor, that is to say surrounding the propellant hydraulic elements and the propelled water flow.
  • It mainly includes a nacelle inside which are the following elements: an electric motor; a rotating propulsion assembly driven by the electric motor; - an outlet nozzle, fixed to the rear of the nacelle, downstream of the rotating propulsion assembly; and rectifiers attached to the nacelle.
  • the propellant is characterized according to the invention in that the rotating propulsion assembly consists of: a hydraulic screw; and a helical-axial pump placed downstream and integral with the hydraulic screw; and in that the electric motor is of the hollow type, that is to say having a rotor and a stator of relatively large diameter and pierced in their central part, in order to surround the rotating propulsion assembly, so that the rotor is fixed around the rotating propulsion assembly, in order to drive it in rotation.
  • the motor rotor is placed around the hydraulic screw.
  • inlet gills placed laterally.
  • the rotating propulsion assembly In the main mechanical embodiment of the rotating propulsion assembly, it is mounted on a shaft itself mounted rotating in the nacelle by bearings and hydraulic stops.
  • the electric motor can be of two types, a first which is of the radial field type, the motor being of large external diameter, the second being of the axial field type, and being of the same internal diameter, but of longer length.
  • FIG. 1 represents the propellant according to the invention, equipped with an electric motor with an axial field, that is to say with a rather elongated shape around the axis 1 of the propellant.
  • Inside a nacelle 2 is therefore mounted rotating a shaft 3, by means of hydraulic thrust bearings 4V and 4R, mounted respectively in a front part 2V and a rear part 2R of the nacelle 2.
  • a hydraulic screw 7 At the output of the latter, the internal shape of the nacelle 2 widens to form a convex toric channel around the rear part 2R of the nacelle 2.
  • the blades 8 of a helical-axial pump are secured to the shaft 3. They are followed, in the second part which tightens up the curved channel, by rectifiers 9 fixed to the nacelle 2.
  • the propellant's hydraulic circuit ends with a nozzle 10 fixed to the nacelle 2.
  • the electric motor is of the type immersed in water and is placed axially around the hydraulic screw 7.
  • the IIS stator is integral with the nacelle 2, while the rotor 11R is fixed around the hydraulic screw 7 and is therefore integrated on the rotating propulsion assembly.
  • the IIS stator and the 11R rotor are jacketed.
  • the motor can be either synchronous or asynchronous.
  • FIG. 2 represents the propellant according to the invention in an embodiment using a motor of the radial type, that is to say that the electric field is radial. Consequently, its outside diameter is slightly larger than that of the axial motor used in the embodiment described in FIG. 1. On the other hand, its length is shorter.
  • the nacelle 12 is similar to the nacelle 2 in FIG. 1 and the rotating propulsion assembly is almost identical.
  • the screw, the vanes 8 of the axial-axial pump, the rectifiers 9 and the nozzle 10, are identical. It is the same for the shaft 3 of the rotating propulsion assembly which is also mounted rotating, by thrust bearings 4V and 4R in respective parts before 12V and rear 12R of the nacelle 12.
  • the start of the hydraulic course is a little different in the sense that the inlet chamber 15 is a little more elongated, gills 16 being however also placed laterally.
  • the motor therefore comprises a discoid rotor 21R fixed around the hydraulic screw 17. It is placed between the two parts 21S of the stator which are fixed relative to the nacelle 12.
  • hydrojet propulsion technique Several advantages are inherent in the hydrojet propulsion technique. Indeed, at equal power, a propeller propeller rotates approximately at 150 revolutions / minute, while a hydrojet propellant rotates approximately at 600 revolutions / minute.
  • the size of the motors being inversely proportional to the speed of rotation, the motor, used in a hydrojet technique, is much more compact than that used to drive a propeller.
  • hydraulic thrust bearings makes it possible not to use ball bearings. This reinforces resistance to shocks, in particular to military shocks.
  • propulsion by hydrojet has many advantages. Indeed, the type of pump, the speed, the fact that it is force-fed by a hydraulic screw and that the water flow takes place in a confined channel are all advantages compared to the propeller which turns in open environment and at low frequency. The same is true for the use of hydraulic thrust bearings, replacing noisy ball bearings.
  • the propellant according to the invention requires no ventilation, lubrication or cooling aid.
  • the reverse thrust is done as on conventional hydrojets with a concave deflector, operated by a jack.
  • the efficiency of a helical-axial pump, used in the propellant according to the invention, associated with a hydraulic screw which feeds the inlet of the helical-axial pump, is of the order of 75%. We can therefore consider an increase of 10% on the overall propulsion efficiency compared to a traditional propeller.
  • propulsion by hydrojet and in particular by double hydrojet, can be integrated harmoniously in the water lines and in the shapes of the ship's hull. In this case, it therefore finds much less overhang than a propeller, detached from the hull of the ship in a nacelle mounted at the end of a mast. Hydraulic drag and tactical vulnerability are considerably reduced.

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Abstract

Le propulseur de navire par hydrojet immergé est peu bruyant et présente un bon rendement.Il comprend principalement un ensemble de propulsion par hydrojet constitué d'une vis hydraulique (7) alimentant une pompe hélico-axiale (8) débouchant dans des redresseurs (9). Une tuyère (10) termine l'ensemble, qui est alimenté par des ouïes latérales (6). Le moteur électrique (11R, 11S) est représenté axial, mais peut être radial. L'arbre (3) est monté rotatif, grâce ô des paliers-butées (4V, 4R) hydrauliques. L'ensemble peut être orienté en azimut.Application ô la propulsion des navires et des sous-marins.

Description

PROPULSEUR DE NAVIRE EN NACELLE PAR HYDROJET ET ENTRAINE PAR UN MOTEUR ELECTRIQUE CREUX
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine de la propulsion des navires, submersibles et insubmersibles, au moyen de propulseurs immergés, à l'extérieur de la coque, par exemple sous ou à côté de la coque d'un navire submersible, tel qu'un bateau, ou de n'importe quel côté de la coque d'un sous-marin. Elle concerne plus particulièrement une telle unité de propulsion par hydrojet, entraînée par un moteur électrique.
Art antérieur et problème posé
Dans le domaine de la propulsion des navires, submersibles ou insubmersibles, il est connu d'utiliser plusieurs techniques de propulsion mettant en œuvre des nacelles de propulsion complètement immergées. Parmi celles-ci, on cite la propulsion par jets hydrauliques, appelée communément « hydrojet ». Une telle technique est illustrée par la demande de brevet français du même déposant de la présente demande et publiée sous le numéro 2 766 262. Cette technique utilise le principe de la réaction, l'eau étant aspirée par une prise d'eau placée devant la nacelle. Une pompe à haut rendement, placée à l'intérieur de cette dernière, communique de l'énergie à l'eau pour la propulser à l'extérieur sous la forme d'un jet, par une tuyère, créant ainsi une poussée qui propulse le navire. Une telle nacelle pouvant être orientée en azimut, la direction de propulsion peut être choisie par la rotation de ladite nacelle. Ce type de propulseur permet donc à un navire d'effectuer n'importe quelle manœuvre au port, de se stabiliser en route ou de faire du positionnement dynamique, sans utilisation d'un autre mécanisme. Une telle nacelle peut également être orientée autour d'un axe horizontal pour permettre de changer l'assiette ou la profondeur d'un sous-marin.
D'autre part, dans un deuxième type de propulsion par nacelle immergée, on peut également citer la demande de brevet français du même déposant, publié sous le numéro 2 768 119, qui décrit un propulseur naval à hélice centrale et moteur asynchrone discoïde. Un tel propulseur est constitué principalement d'un moyeu central entouré des aubes d'une hélice autour desquelles est fixé le rotor électrique de forme discoïde et un fourreau portant des paliers. Le stator est placé de part et d'autre du rotor électrique, autour des paliers. En d'autres termes, le moteur électrique entoure la canalisation à l'intérieur de laquelle se trouve l'hélice et dans laquelle passe le flux d'eau. Toutefois, ce type de propulseur ne présente pas un excellent rendement, est très bruyant et soumis aux problèmes de la cavitation.
Le but de l'invention est de proposer un troisième type de propulseur naval immergé et placé dans une nacelle, en évitant les inconvénients liés à ces deux types de propulseurs. Résumé de l'invention
L'objet principal de l'invention est donc un propulseur de navire, en nacelle, utilisant à la fois la technique de l' hydrojet et la propulsion par un moteur électrique creux, c'est-à-dire entourant les éléments hydrauliques propulseurs et le flux d'eau propulsé. Il comprend principalement une nacelle à l'intérieur de laquelle se trouvent les éléments suivants : un moteur électrique ; un ensemble tournant de propulsion entraîné par le moteur électrique ; - une tuyère de sortie, fixée à l'arrière de la nacelle, en aval de l'ensemble tournant de propulsion ; et des redresseurs fixés à la nacelle. Le propulseur se caractérise selon l'invention en ce que l'ensemble tournant de propulsion est constitué de : une vis hydraulique ; et une pompe hélico-axiale placée en aval et solidaire de la vis hydraulique ; et en ce que le moteur électrique est du type creux, c'est-à-dire ayant un rotor et un stator de diamètre relativement large et percé en leur partie centrale, afin d'entourer l'ensemble tournant de propulsion, pour que le rotor soit fixé autour de l'ensemble tournant de propulsion, dans le but de l'entraîner en rotation. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, le rotor du moteur est placé autour de la vis hydraulique.
Pour faire pénétrer l'eau à l'intérieur de la nacelle et en particulier en amont de la vis hydraulique, il est prévu d'utiliser des ouïes d'entrée placées latéralement.
Dans la principale réalisation mécanique de l'ensemble tournant de propulsion, celui-ci est monté sur un arbre monté lui-même tournant dans la nacelle par des paliers et butées hydrauliques.
Selon l'invention, le moteur électrique peut être de deux types, un premier qui est du type à champ radial, le moteur étant de large diamètre extérieur, le deuxième étant de type à champ axial, et étant de même diamètre intérieur, mais de plus grande longueur.
Liste des figures
L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et illustrée de deu figures représentant respectivement : - figure 1, en coupe, une première réalisation du propulseur selon l'invention, équipé d'un moteur électrique axial ; et figure 2, en coupe, une deuxième réalisation du propulseur selon l'invention, équipé d'un moteur électrique radial .
Description détaillée de deux réalisations de 1 ' invention
La figure 1 représente le propulseur selon l'invention, équipé d'un moteur électrique à champ axial, c'est-à-dire avec une forme plutôt allongée autour de l'axe 1 du propulseur. A l'intérieur d'une nacelle 2 est donc monté tournant un arbre 3, au moyen de paliers-butées hydrauliques 4V et 4R, montés respectivement dans une partie avant 2V et une partie arrière 2R de la nacelle 2. Au niveau de l'extrémité avant 3V de l'arbre 3, c'est-à-dire en aval de la partie avant 2V de la nacelle 2, se trouve une chambre d'entrée 5 équipée de plusieurs ouïes 6 placées latéralement par rapport à l'axe 1 du propulseur. L'eau est donc aspirée par ces ouïes 6 pour pénétrer à l'entrée d'un ensemble tournant de propulsion supporté par 1 ' arbre 3.
Autour de ce dernier est fixée une vis hydraulique 7. A la sortie de cette dernière, la forme interne de la nacelle 2 s'élargit pour former un canal torique bombé autour de la partie arrière 2R de la nacelle 2. Dans la première partie qui s'évase du canal bombé, se trouvent les aubes 8 d'une pompe hélico-axiale, solidaire de l'arbre 3. Elles sont suivies, dans la deuxième partie qui se ressert du canal bombé, par des redresseurs 9 fixés à la nacelle 2. Le circuit hydraulique du propulseur se termine par une tuyère 10 fixée à la nacelle 2.
Le moteur électrique est du type immergé dans l'eau et est placé axialement autour de la vis hydraulique 7. Le stator IIS est solidaire de la nacelle 2, tandis que le rotor 11R est fixé autour de la vis hydraulique 7 et est donc intégré sur l'ensemble tournant de propulsion. Le stator IIS et le rotor 11R sont chemisés. Le moteur peut être soit synchrone, soit asynchrone.
Les paliers-butées 4V et 4R sont du type hydraulique, plus précisément ils sont alimentés en permanence par de l'eau dans laquelle se trouve la nacelle, sous, pression. La figure 2 représente le propulseur selon l'invention dans une réalisation utilisant un moteur du type radial, c'est-à-dire que le champ électrique est radial. En conséquence, son diamètre extérieur est un peu plus important que celui du moteur axial utilisé dans la réalisation décrite à la figure 1. Par contre, sa longueur est plus courte.
La nacelle 12 s'apparente à la nacelle 2 de la figure 1 et l'ensemble tournant de propulsion est quasiment identique. La vis, les aubes 8 de la pompe hélico-axiale, les redresseurs 9 et la tuyère 10, sont identiques. Il en est de même pour l'arbre 3 de l'ensemble tournant de propulsion qui est également monté tournant, par des paliers-butées 4V et 4R dans des parties respectives avant 12V et arrière 12R de la nacelle 12. Par contre, le début du parcours hydraulique est un peu différent en ce sens que la chambre d'entrée 15 est un peu plus allongée, des ouïes 16 étant toutefois également placées latéralement . Le moteur comprend donc un rotor 21R de forme discoïde fixé autour de la vis hydraulique 17. Il est placé entre les deux parties 21S du stator qui sont fixes par rapport à la nacelle 12.
Avantages du propulseur selon l'invention
Plusieurs avantages sont inhérents à la technique de propulsion par hydrojet. En effet, à puissance égale, un propulseur à hélice tourne environ à 150 tours/minute, tandis qu'un propulseur à hydrojet tourne environ à 600 tours/minute. La taille des moteurs étant inversement proportionnelle à la vitesse de rotation, le moteur, utilisé dans une technique hydrojet, est beaucoup plus compact que celui utilisé pour entraîner une hélice.
Il est avantageux de coupler sur une même nacelle deux propulseurs, c'est-à-dire deux ensembles hydrojets. En effet, cela permet d'annuler le couple de torsions sur le système d'orientation de la nacelle si les deux groupes travaillent, l'un en rotation dextrogyre, et l'autre en rotation sénestrogyre , les deux couples s 'annulant.
A grande vitesse, les propulseurs à hélice ont tendance à subir de la cavitation. Ce phénomène provoque du bruit et des risques d' endommagements au niveau des pales, contrairement au système de propulsion par hydrojet, qui ne cavité pas.
L'utilisation de paliers-butées hydrauliques permet de ne pas utiliser de roulements à billes . Ceci renforce la résistance aux chocs, notamment aux chocs militaires .
Du point de vue de la discrétion acoustique, la propulsion par hydrojet présente de nombreux avantages. En effet, le type de pompe, la vitesse, le fait qu'elle soit gavée par une vis hydraulique et que l'écoulement de l'eau se fasse en canal confiné sont autant d'avantages par rapport à l'hélice qui tourne en milieu ouvert et à basse fréquence. Il en est de même pour l'utilisation de paliers-butées hydrauliques, en remplacement de roulements à billes de nature bruyante.
Le propulseur selon 1 ' invention ne nécessite pas d'auxiliaire de ventilation, de lubrification ou de refroidissement. L'inversion de poussée se fait comme sur les hydrojets classiques avec un déflecteur concave, manœuvré par un vérin.
Le rendement d'une pompe hélico-axiale, utilisée dans le propulseur selon l'invention, associée à une vis hydraulique qui gave l'entrée de la pompe hélico-axiale, est de l'ordre de 75 %. On peut donc envisager une augmentation de 10 % sur le rendement global de propulsion par rapport à une hélice traditionnelle .
L'utilisation de la propulsion par hydrojet, et en particulier par double hydrojet, peut être intégrée harmonieusement dans les lignes d'eau et dans les formes de la carène du navire. Dans ce cas, elle se trouve donc bien moins en porte-à-faux qu'un propulseur à hélice, détaché de la coque du navire dans une nacelle monté en bout d'un mât. La traînée hydraulique et la vulnérabilité tactique s'en trouvent considérablement réduite.
Il est possible d'utiliser quatre propulseurs selon l'invention sur une même plate-forme orientable, cette solution favorise une intégration dans la carène.

Claims

REVENDICATIONS
1. Propulseur de navire en nacelle par hydrojet et utilisant un moteur électrique, comportant : une nacelle (2, 12) : - un moteur électrique (11R, IIS, 21R, 21S) placé dans la nacelle ; un ensemble tournant de propulsion (16, 17, 8, 9) entraîné par le rotor du moteur électrique ; et une tuyère de sortie (10) , fixée à l'arrière de la nacelle (2, 12), en aval de l'ensemble tournant de propulsion ; et - des redresseurs (9) fixés à la nacelle (2,
12) , caractérisés en ce que l'ensemble tournant de propulsion comprend : une vis hydraulique (7, 17) ; et - une pompe hélico-axiale (8) placée en aval et solidaire de la vis hydraulique (7, 17), et en ce que le moteur électrique est du type creux, c'est-à-dire ayant un rotor (11R, 21R) et un stator (IIS, 21S) de large diamètre et percés en leur partie centrale afin d'entourer l'ensemble tournant de propulsion et pour que le rotor (11R, IIS) soit fixé autour de l'ensemble tournant de propulsion.
2. Propulseur de navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor (11R,
IIS) est placé autour de la vis hydraulique (7, 17) .
3. Propulseur de navire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des ouïes latérales (6, 16) pour l'entrée de l'eau dans l'ensemble tournant de propulsion. . Propulseur de navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble tournant de propulsion est monté sur un arbre (3) monté tournant dans la nacelle (12) par des paliers-butées hydrauliques (4V, 4R) . 5. Propulseur de navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (11R, IIS) est à champ axial.
6. Propulseur de navire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (21R, 21S) est à champ radial.
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