Arbre d'hélice marine – Conception et construction

Le cœur de tout navire réside dans la salle des machines. Propulsés par de gros moteurs marins fonctionnant généralement au diesel de HFO, les navires peuvent atteindre des vitesses allant jusqu'à 50 km / h.

Les composants responsables du déplacement effectif du navire sont les grandes hélices multipales installées à l'arrière.

Alors, comment la puissance passe-t-elle des moteurs situés profondément à l'intérieur de la coque d'un navire aux hélices à l'arrière?

La réponse réside dans un composant mécanique intégré appelé arbre marin ou arbre d'hélice.

Tout comme le fonctionnement des arbres de transmission dans les voitures, les arbres des navires transfèrent également la puissance de rotation des moteurs aux hélices, qui les convertissent en mouvement de translation.

Dans cet article, nous examinerons l'arbre d'hélice marine et ses différents composants, ainsi que leur conception et leur construction, nous étudierons également le mécanisme de fonctionnement de ces arbres.

Comment les navires sont-ils propulsés?

Les systèmes de propulsion à bord des navires alimentent le navire en convertissant le mouvement de rotation en mouvement de translation. Ceci est similaire en théorie au célèbre mécanisme à vis d'Archimède crédité au mathématicien grec Archimède au c. 234 av.

L'énergie de rotation est fournie par deux à quatre moteurs marins situés dans le compartiment moteur d'un navire. Les moteurs à deux et à quatre temps sont utilisés en fonction de la taille et de l'utilisation requise du navire.

Les moteurs marins fonctionnent généralement au diesel, bien que des tentatives soient faites pour se tourner vers des alternatives écoénergétiques.

À l'intérieur du moteur, les pistons brûlent le carburant en alternant les cycles de compression et de détente. La combustion est réalisée à température d'allumage et oblige le vilebrequin à effectuer une demi-rotation en compression. La phase d'expansion complète la moitié restante de la rotation.

Le type de moteur marin le plus couramment utilisé est le moteur diesel alternatif qui a une efficacité plus élevée par rapport aux autres modèles. Ces moteurs peuvent être classés en trois types en fonction de leurs révolutions par minute (tr / min).

Les trois catégories – vitesse lente, moyenne et haute ont leurs propres avantages en fonction du type de navire à propulser.

Par exemple, les gros navires nécessitent un système de propulsion à basse vitesse mais à couple élevé pour les propulser. Pour de tels navires, un moteur à faible régime de sortie peut être sélectionné.

Le problème avec l'utilisation de moteurs à basse vitesse est le grand espace qu'ils occupent par rapport aux autres moteurs. Ainsi, une solution peu encombrante consisterait à installer des moteurs à grande vitesse dans le navire, puis à réduire le couple avant qu'il n'atteigne les hélices.

Pour cela, une boîte de vitesses est un composant très utile qui peut être utilisé pour manipuler le transfert de couple en rotation. Il est fixé à l'arbre d'hélice marine et réduit la puissance transmise à l'hélice.

Les moteurs à basse vitesse ne posent aucun problème au transfert de couple et ne nécessitent pas de boîte de vitesses supplémentaire. La boîte de vitesses des autres moteurs à vitesse est fixée entre l'arbre intermédiaire et l'arbre d'hélice.

Composants des arbres d'hélice

L'arbre d'hélice marine est divisé en trois composants principaux:

  • l'arbre de poussée,
  • arbre (s) intermédiaire (s), et
  • arbre de queue

L'arbre de poussée est l'arbre primaire sortant du moteur. Il reçoit directement le mouvement de rotation du vilebrequin et tourne à la vitesse maximale dans les moteurs à grande vitesse.

Pour les moteurs à haut régime, l'arbre de poussée est en outre connecté à d'autres composants plus à l'arrière.

Le composant suivant est l'arbre intermédiaire. Il n'y a pas de restriction spécifique sur le nombre de puits intermédiaires qu'un navire peut avoir. Cependant, au-delà de 2 arbres, il peut être difficile à entretenir et à entretenir. La raison en est la grande force caténaire agissant sur l'ensemble de l'arbre d'hélice. Cette force a tendance à déformer et à endommager les pièces en raison de leur poids.

Couplé aux gros chocs vibratoires qui agissent sur les arbres, il pourrait y avoir des dommages permanents aux arbres d'hélice. Ainsi, un faible nombre d'arbres intermédiaires est préféré. La seule raison d'avoir plusieurs arbres intermédiaires comme si les moteurs étaient éloignés des hélices.

La dernière partie est la arbre de queue. Il est directement connecté aux hélices et se trouve principalement dans le tube d'étambot. L'arbre de queue est relié à l'arbre intermédiaire par une boîte de vitesses qui manipule le transfert de couple. L'arbre de queue est construit pour résister à une variété de forces qui peuvent agir à l'arrière du navire.

Disposition de l'arbre de queue

Le composant suivant est le roulement couplé qui relie deux arbres adjacents. L'accouplement est réalisé grâce à des joints généralement rigides et non flexibles. Les unités de couplage sont boulonnées les unes aux autres à l'aide d'attaches à haute résistance qui peuvent résister à un grand nombre de contraintes vibratoires.

Les roulements d'arbre sont des composants qui sont utilisés pour supporter et supporter la charge des arbres. Ils s'étendent sur toute la longueur de l'arbre et assurent une rotation en douceur. Ces roulements sont construits différemment en fonction de leur emplacement.

La dernière partie du système d'arbre d'hélice marine est constituée par les blocs de poussée. Ces blocs supportent les arbres d'hélice à intervalles réguliers. Ces blocs jouent transfèrent l'excès de puissance des arbres dans la coque du navire.

Comme les arbres tournent à des vitesses très élevées, une certaine vibration se produit. Cela conduit en outre à des chocs discordants qui peuvent compromettre l'intégrité structurelle du navire. Ainsi, en utilisant des roulements spécialisés, les chocs peuvent être dispersés sur la coque du navire.

Pour ancrer ces blocs de poussée au lit du navire, un cadre renforcé est construit. Il y a un bloc de poussée primaire placé à l'arrière du vilebrequin du moteur, qui disperse la majorité du choc dans les poutres et les structures de la coque.

Les composants discutés ci-dessus forment la grande majorité des pièces qui composent les arbres d'hélice. En outre, il existe une variété de petites pièces telles que des produits d'étanchéité et des roulements qui remplissent différentes fonctions.

Conception et construction

La phase de conception et de construction est importante car elle garantit la résistance structurelle. Avec des vitesses d'arbre allant de 300 tr / min à 1200 tr / min, il faut prendre soin de contrôler la fatigue des matériaux et de réduire les dommages causés aux composants du navire.

La construction des roulements d'arbre est importante, car elle supporte le poids complet des arbres d'hélice.

Il y a deux types principaux de roulements: le roulement à carter complet situé à la poupe et le roulement à demi-carter situé aux autres positions.

Le boîtier complet fournit un roulement complet pour le poids de l'arbre et fait partie intégrante. La raison pour laquelle il est situé à l'arrière est de tenir compte à la fois des forces de poids de la caténaire et également de contrer les forces de flambement ou de poussée inverse ressenties à l'arrière en raison du mouvement des hélices. Ce roulement est également connu sous le nom de roulement de tunnel le plus à l'arrière, car il enveloppe l'arbre comme un tunnel.

Les autres arbres ne prennent en compte que le poids et ne nécessitent donc pas de boîtier vers le haut. Ces roulements doivent être conçus en métaux à haute résistance qui ne se déforment pas ou ne se déforment pas facilement sous des contraintes élevées. De plus, de faibles niveaux de tolérances sont attendus pendant la phase de fabrication.

Des patins de roulement spéciaux sont insérés dans les fentes sur la face intérieure de connexion du roulement, de sorte qu'il permet une rotation en douceur. Pour lubrifier le roulement d'arbre, un arrangement de trempage d'huile est effectué. En enduisant la surface tournante d'huile à partir d'un anneau de lanceur d'huile à intervalles réguliers, une épaisse couche de lubrification est maintenue à tout moment.

Le liquide de refroidissement utilisé pour éviter la surchauffe et les dommages qui en découlent sont de l'eau qui circule autour du roulement d'arbre. Celui-ci est stocké dans des tubes spécialisés qui longent le roulement et l'arbre. Les réservoirs stockés au-dessus de la plate-forme du moteur abritent du liquide de refroidissement qui circule autour des machines et des systèmes de propulsion.

Disposition d'arbre intermédiaire

Les blocs de poussée sont principalement utilisés pour amortir et absorber les forces des arbres d'hélices en rotation. Ces forces sont redirigées vers des cadres spécialisés qui composent le lit du compartiment moteur. L'énergie contenue dans ces cadres est en outre distribuée dans les surfaces de la coque à travers les poutres de coque.

Les poutres de coque servent de cadre sur lequel la coque du navire est construite. Les blocs de poussée doivent être montés de manière rigide pour empêcher toute forme de vibration au cours du voyage. En outre, le bloc de poussée primaire peut être soit une unité indépendante qui est construite séparément ou peut être intégré dans les moteurs marins lui-même.

En intégrant le bloc dans le moteur, il réduit l'encombrement et les coûts de maintenance en navigation. Cependant, l'entretien, bien qu'amarré, peut être un problème car il nécessiterait d'ouvrir le boîtier du bloc moteur. Le boîtier qui compose les blocs de poussée est construit en deux parties – une moitié supérieure qui est amovible et une moitié inférieure qui supporte l'arbre.

L'arbre est posé sur le bloc inférieur, et la moitié supérieure est ensuite boulonnée en place à l'aide d'attaches spécialisées qui peuvent absorber les chocs. Pour lubrifier l'arbre rotatif, de l'huile est régulièrement appliquée sur la surface tournante. Ceci est réalisé d'une manière similaire à celle des roulements d'arbre.

Un lanceur d'huile et un déflecteur sont mis en place pour maintenir un approvisionnement constant en huile à partir d'une unité de stockage située sur la moitié inférieure du bloc de poussée.

La température de fonctionnement est contrôlée à l'aide de serpentins de refroidissement qui font circuler un type choisi de liquide de refroidissement à travers le bloc. Il aspire également le liquide de refroidissement du système de refroidissement de propulsion central. Pour absorber les vibrations et les chocs, coussinets de roulement sont attachés aux blocs.

Ils peuvent être de deux types: patins d'inclinaison ou patins pivotants, qui sont tous deux maintenus dans des supports spécialisés intégrés dans le bloc de poussée. Les coussinets de poussée transfèrent de l'énergie à la moitié inférieure du boîtier, conçue pour résister à des chocs plus importants.

Un collier de poussée est également utilisé pour absorber la poussée de l'arbre d'hélice. Les blocs de poussée incorporent des brides intégrées qui aident principalement à boulonner le bloc à d'autres surfaces.

Par exemple, le bloc peut être connecté à la boîte de vitesses ou au moteur à l'aide de cette bride. Il peut également être utilisé pour connecter l'arbre de poussée du moteur aux arbres intermédiaires à l'aide de ces brides. Dans le cas où le bloc de poussée est intégré dans le bloc moteur, il est fait du même matériau de boîtier que les plaques de base du moteur.

De plus, ils utilisent directement la lubrification et le liquide de refroidissement des composants du moteur lui-même. Le bloc intégré est similaire aux blocs de poussée normaux dans la plupart des autres fonctionnalités. Il est intéressant de noter que le bloc de poussée est intégré dans le moteur de la plupart des navires, à l'exception des petits bateaux qui ont des contraintes d'espace.

Les arbres eux-mêmes doivent être construits à partir de matériaux robustes à haute limite d'élasticité et à faible probabilité de flambage. Chaque arbre à partir de l'arbre de poussée doit être construit en petits composants gérables qui peuvent être démontés lorsque le besoin s'en fait sentir.

De plus, les joints et les presse-étoupes sont également construits à partir de matériaux appropriés qui peuvent efficacement sceller les machines de travail internes de l'eau extérieure. Des matériaux de haute qualité sont indispensables lors de la fabrication d'arbres d'hélice, car il s'agit d'un équipement très sensible qui doit gérer de grandes forces.

La boîte de vitesses marine est un composant intégral qui est fixé entre l'arbre de queue et l'arbre intermédiaire. Il est principalement utilisé pour manipuler le couple transféré du vilebrequin du moteur aux hélices situées à l'arrière. Il est le plus souvent utilisé dans les grands navires qui engagent un moteur à grande vitesse pendant les opérations.

La boîte de vitesses fonctionne comme une boîte de vitesses automobile, qui utilise un système de disques d'embrayage et de plaquettes pour contrôler le couple. Grâce à des engrenages robustes pouvant résister à de fortes vibrations, la boîte de vitesses fait partie intégrante des navires équipés de moteurs à grande vitesse.

La lubrification est une nécessité pour éviter les accidents ou les dommages liés à la friction.

Tube d'étambot et arbres d'hélice

L'agencement du tube de poupe fait référence à la manière dont l'arbre de queue est porté par le tube de poupe qui est situé à l'arrière du navire. Le tube d'étambot est un tube horizontal creux qui sert de connexion principale entre les hélices et le reste du navire.

Attaché à cadre arrière, le tube d'étambot agit comme un bouchon à l'arrière du navire. Le cadre de poupe est l'élément structurel principal qui supporte le porte-à-faux de poupe qui se trouve au-dessus des hélices et du gouvernail.

Le tube d'étambot abrite l'arbre de queue du système d'arbre d'entraînement marin et sert à deux fins principales: résister à la charge et sceller tout le navire à l'arrière.

Étant donné que le tube d'étambot sert de lien principal entre le navire et l'hélice, il doit être capable de résister à une énorme quantité de force qui est exercée par les hélices suspendues. De plus, il devrait fournir suffisamment d'espace pour que le moyeu de l'hélice se déplace réellement sans créer de friction.

Pour gérer la charge, le métal blanc est un matériau couramment utilisé qui peut résister aux charges requises. Une lubrification suffisante est également fournie dans le tube d'étambot pour assurer le bon fonctionnement de l'ensemble du système de propulsion marine.

En plus de supporter le poids structurel et les forces de l'hélice, le tube d'étambot doit également être capable de sceller efficacement le navire. Il empêche l'eau de pénétrer par l'arrière et y parvient en utilisant une combinaison de joints sur toute sa longueur. Le tube d'étambot a deux joints principaux situés à sa région arrière et avant.

Crédits: Thordon Bearings

Cela sert de double protection contre les éventuelles fuites pouvant survenir sur de longues périodes. Ces joints peuvent être de trois types principaux: boîtes à garniture, joints à lèvre et joints à face radiale. Les boîtes à garniture sont construites à partir d'une variété de matériaux d'emballage utilisés pour boucher le tube d'étambot.

Les joints à lèvres sont des joints de presse-étoupe utilisés pour empêcher le lubrifiant de s'infiltrer dans l'eau. Ils servent également le double objectif d'empêcher l'eau de pénétrer dans le tube d'étambot. Enfin, les joints d'étanchéité radiaux s'étendent radialement vers l'extérieur de tout point d'entrée et utilisent un système de ressort pour sceller toute la structure. Ils sont composés de deux parties principales qui se rejoignent pour sceller complètement la partie arrière.

Le tube d'étambot joue un rôle important dans la propulsion marine car il absorbe et amortit une quantité considérable de puissance loin de l'hélice. Dans un effort pour sceller complètement la section arrière du navire, cela peut également entraver les capacités de rotation des arbres d'hélice.

Cela serait contre-productif et créerait une grande quantité de stress dans la coque du navire. Ainsi, être capable de sceller efficacement la région arrière sans affecter les paramètres de performance est une nécessité majeure en architecture et en ingénierie navales.

Les arbres d'hélices marines jouent un rôle important dans l'industrie navale. Divers points doivent être pris en compte lors de la conception et de la construction des puits et du tube d'étambot. Il est extrêmement important d'aligner correctement les arbres. Puisqu'il peut y avoir entre deux à quatre arbres, le fait d'avoir chacun centré avec précision empêche tout incident.

Dans le cas où l'alignement ne serait même pas d'une fraction de millimètre, tout l'arbre d'hélice pourrait osciller rapidement. Cela entraînerait des contraintes importantes qui déformeraient et endommageraient de façon permanente l'arbre entier. Lors de l'achat de puits marins, il est important de garantir la meilleure qualité des matériaux ainsi que des techniques de fabrication appropriées.

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