Les navires sont d’énormes structures pesant entre 100 000 tonnes et 500 000 tonnes. Pourtant, ils sont déplacés facilement à travers les océans de la terre.
À l’autre extrême du spectre des tailles de navires, les petits chalutiers de pêche et les yachts de plaisance pèsent à peine plus de 10 000 tonnes. On les trouve généralement en vitesse le long de la côte à des vitesses très élevées.
Alors, comment ces différents navires et bateaux sont-ils propulsés sur l’eau?
C’est là que la propulsion marine entre en jeu.
Différentes classes de navires utilisent divers systèmes de propulsion qui utilisent plusieurs techniques pour produire de l’énergie. Les navires antérieurs utilisaient des combustibles fossiles tels que le charbon pour faire fonctionner de gros moteurs alimentant des hélices.
Les modèles ultérieurs ont fonctionné en utilisant des moteurs alternatifs et des moteurs marins diesel plus efficaces. L’énergie nucléaire est également utilisée de nos jours pour alimenter les navires de guerre, mais elle est bien trop coûteuse et dangereuse pour être encore adaptée au secteur de la navigation commerciale.
Le principal problème auquel sont confrontés tous ces systèmes de propulsion sont les sous-produits qu’ils produisent et qui polluent l’environnement. De plus, ces sources d’énergie sont des ressources rares qui ne sont pas faciles à se procurer.
Ne serait-il pas pratique de générer une certaine forme d’énergie à l’aide d’un produit facilement disponible qui ne crée pas de produits toxiques?
C’est là que la propulsion par jet d’eau entre en jeu.
L’eau est la ressource la plus abondante présente sur terre, avec près de 75% de la terre couverte de plans d’eau. De plus, lorsqu’il est utilisé comme seul composant de propulsion, aucun sous-produit nocif n’est créé et l’ensemble du processus est respectueux de l’environnement.
Dans cet article, nous examinerons la propulsion par jet d’eau, son principe de fonctionnement et les avantages qu’elle présente.
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Systèmes de propulsion marine conventionnels
La propulsion fait référence à la mécanique derrière la génération de poussée et de force qui peuvent être utilisées pour déplacer un corps par ses propres moyens. La puissance requise est classiquement produite à l’aide de deux ou plusieurs moteurs diesel marins qui fonctionnent en modes deux ou quatre temps.
Ces moteurs ont plusieurs cylindres à piston qui génèrent un mouvement de rotation par la combustion du carburant à la température d’allumage. Le mouvement de rotation est utilisé pour faire tourner un vilebrequin qui est connecté à l’arbre d’hélice marin qui mène aux hélices.
Les hélices ont des pales de forme hydrodynamique comptant trois ou plus, qui forcent l’eau derrière le navire pour le propulser vers l’avant. Les moteurs sont placés sur de solides plates-formes amortissantes capables de rediriger le mouvement vibratoire dans la grande surface de la coque.
Pour modifier la direction, les gouvernails sont utilisés pour diriger la masse de fluide entrante des hélices. Dans les nouvelles conceptions d’azipodes, les gouvernails sont intégrés dans les hélices, ce qui donne un système compact qui peut tourner dans la plupart des directions pour changer la trajectoire du navire.
D’après la description ci-dessus, plusieurs problèmes peuvent être identifiés. Le principal inconvénient de ce système classique est la dépendance à un grand nombre de composants, qui ne sont pas faciles à remplacer.
Par exemple, si l’arbre d’hélice marin doit être réparé, les hélices et l’ensemble de l’arbre doivent être retirés de l’intérieur du navire, à un coût élevé en temps et en travail.
Plusieurs entreprises commerciales conçoivent, construisent et installent des systèmes de jet d’eau. La principale différence dans ces entreprises réside dans les composants d’installation, le degré de mouvement, la conception des composants fonctionnels et le choix des matériaux.
En bref, des systèmes de jets d’eau sont placés à l’arrière du navire, près de la ligne de flottaison. L’eau est aspirée et traitée dans le système pour sortir de la buse la plus en arrière à une vitesse élevée qui propulse le navire vers l’avant.
Dans la section suivante, nous analyserons le fonctionnement de ce système et la physique derrière la propulsion par jet d’eau.
Principe de fonctionnement, mécanisme et composants
Le système de jet d’eau fonctionne sur le principe de la troisième loi de Newton qui stipule que chaque action a une réaction égale et opposée.
La force développée en raison de l’éjection rapide de l’eau de la buse arrière du système à jet d’eau crée une force de réaction qui propulse le navire vers l’avant.
L’eau est directement introduite dans la machinerie principale par un conduit d’aspiration situé sur la face inférieure du navire.
La plupart des navires n’utilisent qu’un seul conduit, bien qu’un plus grand nombre de conduits puisse augmenter la puissance générée qui est nécessaire dans les grands navires. Le fluide passant par l’entrée est dirigé à travers l’unité de traitement principale du système.
En cas de blocage dû à des débris près de l’entrée, le récipient peut être arrêté jusqu’à ce que les débris soient éliminés. D’autres mécanismes sont présents qui peuvent refouler l’entrée de sorte que les débris soient délogés.
L’eau d’entrée est un fluide à énergie relativement faible car elle est au repos avant l’aspiration. Cependant, afin de créer une poussée suffisante, il doit être converti en un fluide à haute énergie. Ceci est accompli en induisant un élément de turbulence à l’aide de pales. Les pales sont alimentées en utilisant un agencement de roue et de stator.
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En raison des réponses mécaniques des fluides, une pression suffisante est créée en utilisant cette turbulence et est ensuite éjectée sous forme de jet haute pression de la buse. La roue à aubes est un arbre alimenté par un moteur embarqué. Il est couplé au stator qui fait tourner les aubes.
Pour comprendre l’agencement roue-stator, on peut en principe l’assimiler au moteur d’un avion qui augmente rapidement la vitesse de sortie de l’air entrant dans la turbine. L’arbre de la roue est mis en rotation par l’arbre d’entraînement principal relié au moteur et est couplé à l’aide de roulements et de connecteurs renforcés.
La buse est située à l’arrière de l’unité et dirige le fluide quittant le système. Il est contrôlé par un système pivotant qui est relié à un volant dans le pont du navire.
Le mouvement de pivotement s’étend de 150 ° à 180 ° sur la plupart des navires. Il existe un composant essentiel connu sous le nom de déflecteur arrière qui aide le navire à se déplacer en marche arrière ou à faire des virages en marche arrière.
Le déflecteur est conçu en utilisant une forme hydrodynamique qui est capable de rediriger en douceur l’écoulement dans la direction opposée de l’éjection. Il s’adapte sur l’embouchure de la buse et peut être abaissé ou relevé en fonction de la manœuvre de direction requise.
L’alimentation des composants mobiles de l’unité est assurée par deux sources principales:
- le moteur embarqué pour l’arbre de roue, et
- hydraulique pour le fonctionnement du déflecteur.
L’hydraulique est généralement à base d’huile et est stockée dans la coque du navire, pour éviter toute forme de pollution en cas de déversement d’hydrocarbures.
Pour accéder aux différents composants du navire, plusieurs panneaux d’accès sont prévus sur toute la longueur de l’unité. Cependant, des précautions doivent être prises lors de l’ouverture du système et l’unité entière doit être mise hors tension et complètement immobilisée.
En raison des chocs vibratoires importants et des forces agissant par le système de propulsion, l’unité est montée sur des structures spécialisées qui peuvent rediriger et absorber les forces de sortie. La force est redirigée vers la grande surface de la coque afin qu’elle puisse être dispersée en toute sécurité sans créer de charges ponctuelles dangereuses.
Comment les métiers à jet d’eau fonctionnent-ils?
Les systèmes à jet d’eau sont extrêmement précis et précis en matière de maniabilité et de direction. Ceci est dû à la plage de mouvement incroyablement large fournie par la buse.
Les principales commandes dont dispose l’officier responsable de la direction comprennent un levier d’accélérateur, un volant et un levier pour abaisser ou relever le déflecteur arrière. Nous examinerons certaines opérations principales de direction et comment la technologie du jet d’eau accomplit la même chose.
Pour une accélération vers l’avant, le levier d’étranglement est progressivement augmenté avec le déflecteur maintenu en position relevée. Dans cette condition, la poussée générée par le fluide sortant de la buse est dirigée vers l’arrière, propulsant ainsi le navire vers l’avant. En ajustant le levier d’étranglement, la vitesse du navire peut être modifiée à mesure que le fluide sort à des vitesses plus rapides.
Pour les opérations de virage, le volant est utilisé en conjonction avec l’accélérateur. La direction est contrôlée par la roue, tandis que la vitesse de rotation est soumise à un étranglement. Pour obtenir des virages serrés, une accélération élevée et une rotation brusque de la roue sont nécessaires. Selon le nombre d’unités et la puissance générée par chaque unité, la vitesse de braquage peut varier en fonction de la taille du bateau et des conditions météorologiques.
Enfin, pour la marche arrière, le déflecteur arrière est abaissé et l’accélérateur augmenté. Lorsque l’étranglement augmente, les jets d’eau sortant de la buse sont redirigés vers le bas et de manière inverse en utilisant la forme hydrodynamique du déflecteur. Cela amène le navire à se déplacer dans une direction inverse.
Pour tourner en marche arrière, la roue permet de changer la direction du jet d’eau sortant du déflecteur. Lors de la direction, il est bon de se rappeler que la proue pointe toujours dans la direction dans laquelle le volant a été tourné. Cela aide en particulier lors de l’inversion, car la convention de rotation est inversée dans cette situation.
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Le nombre d’unités utilisées peut avoir un effet majeur sur le rendement et l’efficacité du système de jet d’eau. Bien que l’utilisation d’un seul système soit courante, une disposition à double système est préférée. C’est parce qu’il offre un degré de contrôle plus élevé.
Par exemple, pour maintenir le navire immobile, une combinaison des modes avant et arrière peut être utilisée. Le déflecteur est abaissé partiellement de telle sorte que la moitié de la poussée puisse passer, tandis que la moitié restante heurte le déflecteur et fournit une poussée inverse. Dans cette situation, la direction est toujours active.
La rotation de la roue permet au bateau de prendre un virage avec un rayon de virage proche de zéro, c’est-à-dire que le bateau exécute un virage autour de sa position actuelle. Les progrès de la technologie des jets d’eau ont permis même aux systèmes monoblocs d’exécuter cette manœuvre.
De même, le navire peut se déplacer transversalement sans aucun mouvement de translation en utilisant des unités doubles. Ceci est réalisé en utilisant des jets individuels dans différentes directions pour maintenir le navire stable. Si l’agencement n’est pas correctement manipulé, le navire peut basculer violemment, entraînant une résonance paramétrique et éventuellement des dommages au navire. Cela peut également endommager le quai en cas de collision.
Un point intéressant à noter est que les unités à jet d’eau peuvent être disponibles en trois variantes principales au moment du montage.
- l’unité autonome,
- conduit et buse séparés,
- ou un conduit séparé.
Le métal préféré pour la construction de la buse est l’acier, tandis que des composites ou de l’acier sont utilisés pour le conduit. Avoir une unité autonome complète permet une installation facile puisque l’ensemble du système doit simplement être connecté dans une cale sèche.
Avantages et inconvénients
La propulsion par jet d’eau présente plusieurs avantages qui en font un choix attractif lors du choix des systèmes de propulsion. La vitesse du navire est très importante lorsqu’il s’agit de petites embarcations, et les bateaux propulsés par jet d’eau peuvent atteindre 40 nœuds (75 km / h) même dans de mauvaises conditions. Ceci est comparable et souvent plus élevé que les normes industrielles conventionnelles.
En général, pour atteindre des vitesses élevées, les pales d’hélices conventionnelles doivent tourner à des régimes très élevés pour générer une poussée suffisante. Cependant, il en résulte une différence de pression dynamique entre le milieu environnant et les bords des pales d’hélice en rotation. Cela provoque une désintégration du bord en raison d’un phénomène appelé cavitation.
La cavitation est due à l’eau qui se vaporise rapidement près de la surface de la pale, ce qui entraîne des microbulles qui endommagent le bord de la pale de l’hélice. Cet effet peut rapidement porter à travers le métal et forcer le navire à se déplacer dans des directions imprévisibles.
Bien que les systèmes à jet d’eau utilisent également des pales hydrodynamiques, il existe une différence de pression dynamique plus petite entre la machinerie interne et le fluide environnant. Ainsi, les effets de la cavitation sont considérablement réduits. Cela se traduit par une durée de vie plus longue du système.
Le système de jet d’eau est très compact et est capable de produire une quantité considérable de puissance dans une petite unité. Cela en fait un bon choix dans les navires avec des contraintes d’espace.
Les pales de l’hélice sont recouvertes d’une conception blindée, qui empêche tout contact accidentel avec les pales à grande vitesse. Ainsi, il est plus sûr que les lames classiques qui ne sont pas enveloppées. Un autre avantage de l’utilisation de jets d’eau est que l’ensemble de l’assemblage n’a pas besoin d’être immergé.
Pour que les systèmes normaux soient efficaces, l’ensemble de la pale et de l’arbre doit être immergé, tandis que seule l’entrée doit être immergée dans les systèmes à jet d’eau.
La propulsion par jet d’eau est également plus facile à manœuvrer car la direction est presque instantanée. Ceci est dû à la réponse immédiate des systèmes hydrauliques qui font pivoter la buse de sortie.
Contrairement aux navires conventionnels qui nécessitent un rayon de braquage plus grand, les navires à jet d’eau peuvent exécuter un virage complet à 360 ° tout en restant à une position fixe. De plus, les virages peuvent être exécutés à un rythme beaucoup plus rapide en augmentant simplement la manette des gaz fournie au jet d’eau. Ainsi, la direction et la navigation sont considérablement plus rapides et plus efficaces.
Un autre avantage des systèmes à jet d’eau est l’absence de boîte de vitesses. Bien que cela présente un niveau de contrôle plus élevé dans les systèmes de propulsion standard, cela n’est pas nécessaire lorsqu’il s’agit de systèmes à jet d’eau. Cela est dû au fait qu’un seul mode d’engrenage est utilisé et qu’il n’est pas nécessaire de modifier le couple d’un composant de rotation. Le seul composant rotatif est la roue qui est reliée à un accouplement rotatif de base. Ainsi, les composants moins importants doivent être entretenus et réparés dans les systèmes à jet d’eau.
Enfin, d’un point de vue militaire, les jets d’eau ne produisent pas autant de bruit que la propulsion conventionnelle. Cela se traduit par une réduction du bruit physique et des signatures SONAR. Cela a une immense application dans les navires de qualité militaire qui peuvent voyager à des vitesses élevées sans être facilement détectés par SONAR et d’autres systèmes. Cela se produit en partie en raison de la conception blindée de l’assemblage, qui redirige et redistribue le bruit.
Le principal inconvénient des systèmes à jet d’eau réside dans les coûts initiaux élevés qu’ils entraînent. Contrairement aux systèmes de propulsion standard, les composants et les machines associés à cette technologie sont encore beaucoup trop chers pour être intégrés dans tous les navires. De plus, le coût d’installation et de maintenance peut être élevé en raison de la nature spécialisée du processus. Ainsi, la plupart des exploitants et propriétaires de bateaux préfèrent opter pour des alternatives moins chères.
Un autre problème auquel sont confrontés les systèmes à jet d’eau est qu’ils ne peuvent être utilisés que dans le cas de petits et moyens navires. En effet, la quantité de poussée générée par les tailles d’équipement standard ne peut atteindre une poussée suffisante que pour les navires de ces tailles. Les plus gros navires exigeraient également que les systèmes de propulsion soient proportionnellement plus grands.
Ce n’est pas que cela ne puisse être réalisé dans un proche avenir; il est tout simplement beaucoup trop coûteux d’exécuter ce type de fabrication. De plus, la construction de composants d’une taille comparable à celle des hélices conventionnelles nécessite un équipement spécialisé qui fait encore l’objet de recherches et de développements par des entités commerciales. Dans un avenir proche, on peut s’attendre à une augmentation progressive du nombre de navires propulsés par jet d’eau en raison de la baisse des coûts de production.
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