Le système de propulsion d'un navire est l'un des systèmes les plus importants de tout navire de mer. On dit que la salle des machines est le cœur du navire et qu'elle fournit une énorme poussée pour déplacer le navire à travers les océans du monde. Il est construit à partir de plusieurs parties intégrales qui fonctionnent en tandem pour propulser avec succès des navires gigantesques.
L'un de ces composants est le moyeu de l'hélice qui joue un rôle crucial en fournissant le soutien nécessaire pour déplacer le navire.
Dans cet article, nous examinerons la conception, le fonctionnement et la maintenance des moyeux d'hélices. Nous étudierons également comment le moyeu contrôle un type spécifique de conception d'hélice – l'hélice à pas variable (VPP).
Système de propulsion et structure du moyeu
Les navires fonctionnent sur un système de propulsion très complexe qui génère d'énormes quantités de poussée pour propulser le navire.
En moyenne, la plupart des navires océaniques peuvent peser entre 100 000 DWT et 500 000 DWT à pleine charge, tandis que les petits bateaux et yachts restent en dessous de 10 000 DWT. Ainsi, le système de propulsion doit s'adapter à une grande variété de poids et de types de navires.
Les systèmes de propulsion marine fonctionnent sur la troisième loi de Newton qui stipule que «toute action doit avoir une réaction égale et opposée».
À la poupe du navire, la masse de fluide est rapidement éjectée des pales de l'hélice dans une direction vers l'arrière (arrière), ce qui crée une force de réaction vers l'avant qui propulse le navire.
La poussée primaire est fournie par deux à trois grandes hélices situées à l'arrière du navire sous la ligne de flottaison. Ces hélices comportent généralement entre 3 à 6 pales par unité selon le type et la taille du navire. Un plus grand nombre d'aubes est préférable car il réduit les effets d'un phénomène appelé cavitation.
Qu'est-ce que la cavitation?
En bref, la cavitation est la vaporisation soudaine de l'eau autour des bords de la pale due à une différence de pression dynamique. Cette différence de pression est due au mouvement à grande vitesse du bord de fuite de la lame qui dynamise les particules d'eau sur la surface de la lame.
La vaporisation crée des bosses et accélère l'usure des lames. Il évacue également rapidement l'énergie de la masse de fluide poussée derrière le navire, ralentissant ainsi le navire même à vitesse maximale.
Afin de réduire les effets de la cavitation créée par le mouvement de l'hélice à grande vitesse, le régime est diminué, tandis que le nombre de pales est augmenté. Ainsi, malgré la vitesse plus faible du système, le grand nombre de pales est capable de générer une poussée de fluide suffisante pour que le navire soit propulsé vers l'avant.
La cavitation affecte également le moyeu de l'hélice et peut entraîner des dommages structurels dans la conception. Cela peut entraîner une réponse imprévisible du navire aux manœuvres et à la direction.
Le mouvement de l'hélice à la poupe est alimenté par de gros moteurs diesel marins situés à l'intérieur de la coque du navire. La plupart des navires utilisent 1 à 2 moteurs marins pour chaque unité de propulsion. Les moteurs diesel fonctionnent sur deux ou quatre modes de course de cycles d'expansion et de compression alternés. Les cylindres de piston à l'intérieur du moteur sont forcés dans un mouvement oscillatoire qui propulse un vilebrequin fixé au moteur. Le vilebrequin fournit le couple d'entraînement qui alimente le bateau.
Mais comment le mouvement de rotation du vilebrequin et des arbres d'hélices marins est-il transféré aux pales à l'extrême arrière? C'est là que le moyeu d'hélice entre en jeu.
Les moteurs transfèrent le couple à l'arbre d'hélice marin qui porte le mouvement de rotation à une structure connue sous le nom de moyeu d'hélice. Le moyeu tourne à travers son carter et alimente en outre les pales d'hélice.
Le moyeu est un composant intégral situé à l'extérieur du navire qui est relié aux pales de l'hélice. Lorsque le moyeu tourne, les pales sont également forcées à travers l'eau.
Pour un transfert de couple, le moyeu est relié à l'arbre marin par le tube d'étambot et les roulements environnants. Des dispositions spéciales sont prises pour assurer une étanchéité complète contre l'entrée d'eau et les fuites de fluides essentiels tels que l'huile et les liquides hydrauliques.
Conception, fabrication et fonctionnement du moyeu d'hélice
Le moyeu d'hélice est nécessaire quelle que soit la manière dont l'arbre d'hélice sort de la coque du navire. Il peut y avoir trois types principaux de sorties:
- Bossage d'arbre,
- Support de support P, et
- Un support de support.
Le bossage d'arbre fait référence à l'agencement dans lequel le moyeu d'hélice est placé juste à l'embouchure du tube d'étambot, de sorte qu'il n'y a presque aucune partie de l'arbre marin qui est située à l'extérieur.
D'autre part, les supports de support A et P sont construits comme des appendices en surplomb qui sont situés à l'arrière du tube d'étambot. Ils sont plus courants sur les poupe de type croiseur que sur les poupe de tableau arrière. L'arbre marin passe à travers le tube d'étambot puis à travers le support supporté par un support de type P ou A. L'arbre se termine à l'arrière du support au niveau du moyeu d'hélice.
Le choix entre les différentes dispositions dépend du type de navire et des restrictions sur l'exposition du puits. Cependant, selon la disposition, le moyeu doit être correctement construit.
Dans le bossage d'arbre, le moyeu est partiellement exposé au fluide externe. Ainsi, il doit être imperméabilisé à l'intérieur et des systèmes de presse-étoupe spéciaux sont utilisés pour empêcher la fuite de tout fluide à travers le moyeu.
De plus, le moyeu doit être bien lubrifié afin de réduire les frottements à l'intérieur du tube d'étambot. Pour les montages de support P et A, l'ensemble du moyeu est exposé à l'eau.
En raison de la longueur étendue des arbres d'hélice, les forces vibratoires et caténaires agiront sur le moyeu. Ainsi, il doit être construit de manière appropriée pour résister à des chocs vibratoires importants. Une imperméabilisation est nécessaire, mais uniquement pour empêcher l'entrée de fluide dans le mécanisme interne.
Selon la configuration du moyeu et des pales, il peut y avoir deux types principaux d'hélices:
- Hélice solide, et
- Hélice montée.
Si les pales de l'hélice sont directement intégrées au moyeu, la conception est appelée hélice solide. D'autre part, si les pales sont boulonnées en place sur le moyeu, la conception est une hélice montée. Chacun a ses propres avantages et problèmes en fonction du type et de la classification du navire.
Les hélices solides prennent moins de temps à fabriquer que l'autre variété puisque les pales et le moyeu sont coulés en une seule opération.
L'intégration des aubes dans le moyeu se fait soit en les moulant ensemble, soit en soudant les aubes séparément. Le soudage par fusible des aubes n'est généralement pas préféré car les joints sont les points les plus faibles de toute la structure, bien qu'ils reçoivent les forces de réaction les plus importantes.
D'autre part, la coulée de l'ensemble de l'hélice nécessite une expertise considérable. Le choix de la meilleure option dépend du type d'utilisation et des limites de force que l'unité peut rencontrer. Bien que les hélices solides prennent comparativement moins de temps, la coulée doit être réussie dans la première opération, sinon cela peut entraîner des retards sur le projet. De plus, il est très coûteux en raison du haut niveau de technologie et d'expertise requis pour mouler correctement une grande hélice.
Dans les unités à hélices intégrées, les pales sont séparées du moyeu de l'hélice et doivent être boulonnées en place. Des attaches spécialisées sont utilisées pour sécuriser le joint et sont rendues étanches pour empêcher l'accumulation de fluide à l'intérieur du moyeu.
L'avantage d'utiliser des hélices construites est que l'ensemble complet n'a pas besoin d'être complètement démonté et que seule la région requise doit être retirée. Par exemple, si une seule lame doit faire l'objet d'un entretien, il suffit de la retirer.
En revanche, l'ensemble de l'unité devrait être retiré dans le cas d'une hélice solide. Contrairement aux hélices solides soudées, les pales ne sont pas soudées au moyeu et sont au contraire uniquement boulonnées. En utilisant des fixations adéquates, cela augmente légèrement la résistance aux vibrations et autres chocs opérationnels. Cependant, les fixations ont un risque accru de se desserrer en cas de chocs supérieurs aux limites de fonctionnement.
Un autre avantage de l'utilisation de moyeux d'hélices intégrés est que l'angle de pas des pales peut être modifié pour couvrir une grande variété de poussées. Ces unités sont connues sous le nom d'hélices à pas variable (VPP) et sont traitées en détail dans la dernière section. Le moyeu d'hélice joue un rôle majeur dans l'unité VPP car il abrite les machines essentielles.
Les matériaux préférés pour la coulée des moyeux d'hélices sont les alliages de cuivre et de bronze pour les grands navires. Les petits navires peuvent utiliser des alliages d'aluminium, de bronze et de nickel. Le bronze et le cuivre sont choisis pour leur haute tolérance à la rouille et à la corrosion, ainsi que pour leur résistance et leur durabilité.
L'aluminium est choisi car il est extrêmement léger tout en possédant une résistance structurelle élevée. En fait, l'aluminium a l'un des rapports résistance-poids les plus élevés parmi les métaux, une propriété qui est hautement préférée lorsqu'il s'agit de la fabrication commerciale de machinerie lourde.
Les presse-étoupes et autres matériaux d'étanchéité qui empêchent les fuites font généralement partie du tube d'étambot, mais peuvent être intégrés dans le moyeu de l'hélice pour augmenter l'efficacité. Les mastics peuvent varier en fonction de la configuration et de la structure du navire.
Des produits d'étanchéité tels que des boîtes de garniture, des joints à lèvres, etc. sont utilisés à la jonction où le moyeu est connecté à l'arbre d'hélice marin.
Opérations de maintenance pour les moyeux d'hélices
Le moyeu est un élément de rotation important qui doit être régulièrement entretenu et entretenu pour que le navire fonctionne correctement.
Il est soumis à plusieurs forces, y compris les forces vibratoires, la pression de l'eau immergée, les forces centrifuges, etc. Pour accéder au moyeu de l'hélice, le navire doit être emmené en cale sèche de sorte que la partie de quille soit exposée. Ensuite, des grues robustes sont utilisées pour maintenir l'unité d'hélice en place pendant qu'elle est déconnectée et retirée de l'arbre d'hélice.
Dans le cas d'hélices pleines, des élévateurs spéciaux sont alors attachés au moyeu et déplacent progressivement l'ensemble de l'unité à l'arrière du navire. D'un autre côté, pour les hélices montées, si la réparation ne concerne qu'une seule pale d'hélice, le moyeu et les pales restantes sont laissés tels quels tandis qu'une grue robuste supporte la pale affectée. Une fois les boulons déconnectés, la lame est déplacée ailleurs. Cependant, si l'unité entière doit être retirée, la procédure est similaire à la façon dont l'unité à hélice solide est retirée.
Les opérations de réparation courantes requises pour le moyeu d'hélice en particulier comprennent le réaffûtage et le lissage de la surface du moyeu afin qu'il atteigne la structure prévue. De plus, en cas de défauts majeurs, la zone est à nouveau refondue ou remplie avec un autre alliage.
Des contrôles sont également effectués sur les soudures et leur intégrité. Selon le type d'entretien et l'étendue des dommages, la période de réparation peut durer de quelques heures à deux semaines. Des contrôles sur la machinerie interne dans le cas des unités VPP et des presse-étoupes internes du moyeu sont effectués en plus de travailler sur la structure extérieure du moyeu.
Contrôle de moyeu sur hélices à pas variable (VPP)
L'hélice à pas variable (VPP) est une conception qui consiste à pouvoir contrôler l'angle de pas des pales de l'hélice. Comme les pales sont logées sur le moyeu de l'hélice, il joue un rôle important dans la manipulation de l'angle de pas. Le VPP est également connu sous le nom d'hélice à pas contrôlable (CPP).
Le pas fait référence au changement d'angle qui a lieu lorsqu'une pale d'hélice tourne autour de son grand axe. Dans le cas des hélices de navire, le grand axe s'étend radialement vers l'extérieur à partir du centre du moyeu le long de la section la plus longue de la pale.
La forme de la lame est telle qu'il y a deux bords distincts: le bord d'attaque qui rencontre les particules de fluide entrantes et le bord de fuite qui redirige la masse de fluide sortante pour une poussée et une accélération accrues.
En faisant tourner la pale, l'angle auquel le fluide sort de l'hélice est modifié, ce qui modifie davantage la vitesse et le contrôle du navire.
Pour les navires, les machines VPP sont logées dans le moyeu de l'hélice. Il s'agit d'une technologie extrêmement complexe qui doit être extrêmement précise lors des opérations. La machinerie comprend des moteurs et des capteurs pour transmettre des informations au pont.
Les pales se présentent sous la forme d'une unité d'hélice intégrée mais sont montées sur des bases spécialisées construites sur le moyeu. En plus des fixations, il existe des moteurs précis dans le moyeu qui font progressivement tourner la lame autour de son axe long pour obtenir un changement de pas.
Le pipeline d'utilisation du VPP est le suivant:
1. Le capitaine ordonne un changement de pas des hélices et l'information est transmise à la section concernée du navire.
2. Les capteurs sur le moyeu sont vérifiés pour s'assurer que les réglages actuels sont bien en dessous des limites admissibles et pour garantir qu'aucun envahissement de l'espace interne du moyeu n'a eu lieu.
3. Si tout est en ordre, les moteurs à l'intérieur du moyeu sont alimentés pour faire tourner progressivement la base sur laquelle les pales sont fixées au moyeu. Ces moteurs sont incroyablement sensibles et peuvent changer le pas de 0,5 ° sur certains navires.
4. Après le changement de pas requis, les capteurs relaient à nouveau les informations essentielles sur l'état du moyeu et de la machinerie interne.
Les changements de pas peuvent également être automatiquement entraînés par un système autonome qui aide à la navigation, à la direction et à d'autres opérations.
L'avantage d'utiliser les conceptions VPP est que l'efficacité du moteur est considérablement améliorée. Les régimes de fonctionnement peuvent être optimisés pour répondre aux besoins du navire tout en permettant une meilleure accélération et décélération.
De plus, pour les navires dans lesquels un pas négatif peut être obtenu en tournant la pale dans le sens opposé, le navire peut même se déplacer vers l'arrière (en marche arrière) sans avoir besoin de moteurs spécialisés. Ainsi, il présente plusieurs avantages qui en font un choix attractif pour les grands navires. Cependant, cela peut être très coûteux en raison de la technologie de pointe et des compétences nécessaires pour fabriquer avec succès les moyeux d'hélices.
Le moyeu est le composant le plus important de la conception du VPP car il abrite les machines essentielles sans lesquelles les hélices du navire ne peuvent pas fonctionner. Afin de garantir que le système fonctionne sans problème, des travaux de maintenance doivent être effectués. Cependant, cela peut forcer le navire à s'échouer fréquemment, puisque la seule façon de réparer le moyeu de l'hélice est d'accéder à la partie quille du navire dans une cale sèche.
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