Napęd (statek)

W przemyśle stoczniowym , napęd odnosi się do wszystkich systemów, które pozwalają na statki i łodzie , aby przenieść. Odbywa się to za pomocą pędnika napędzanego silnikiem . Pędnikiem może być:

Cele

Układ napędowy spełnia kilka celów:

Napęd zwierząt

Wiele konstrukcji pływających nie ma autonomicznego układu napędowego i wymaga zewnętrznej interwencji, aby się poruszać. Tak jest w przypadku barek rzecznych: kiedyś ciągnęły je konie spacerujące po brzegach kanału, czasami ludzie, gdy łódź była wystarczająco lekka. W przypadku tego typu napędu lina holownicza była prowadzona przez maszt umieszczony mniej więcej w pierwszej jednej trzeciej łodzi; słup ten nazywany jest arbouvier („drzewa”).

Łódki czy promy napędzane były również przez karuzelę koni lub wołów na pokładzie, karuzelę uruchamiającą koła łopatkowe lub łańcuch holowniczy .

Napęd człowieka

W tym wyrażeniu termin „napęd” w rzeczywistości oznacza silnik, a nie paliwo. Anglicy używają dokładniejszego wyrażenia „  ludzka siła  ”. Napęd jest ludzki, gdy osoba używa rąk (i stóp) jako paliwa do poruszania się po wodzie lub nad wodą.

Odpoczynek na brzegu

Ten rodzaj transportu ludzi trwał do czasu uogólnienia silników cieplnych na statkach rzecznych (we Francji nazywano go „Halage à la bricole ”).




Odpoczynek na dnie

Użycie tyczki lub wiosła, gdy głębokość jest dostatecznie mała (ilustracja po prawej stronie).

Oparty na wodzie

Siła mięśni jest prawdopodobnie pierwszą siłą napędową używaną na statku, tak jak w barce słonecznej Cheopsa z systemem wiosłowania.

Wiosłować

Ogólnie rzecz biorąc, ten rodzaj napędu polega na uruchomieniu wiosła utworzonego z rękojeści i zanurzonej łopaty; pociąg może być połączony z łodzią za pomocą jednej lub dwóch dulek , wiosła lub żagla lub może być trzymany w obu rękach. Wykonywana czynność składa się z regularnych ruchów do przodu i do tyłu, naprzemiennie z fazą wypychania łopaty w wodzie i fazą powrotu łopaty z wody lub naprzemiennymi fazami ciągu w całości w wodzie do czaszki.

Działanie łopaty w wodzie jest dwojakiego rodzaju: w przypadku czaszki łopata działa jak skrzydło , ze zmniejszonym kątem padania, utrzymującym przepływ przymocowany do obu stron łopaty; podczas wiosłowania łopata popycha wodę bezpośrednio w kierunku rufy łodzi, w przepływie całkowicie niehaczonym.

Podwójne wiosło do kajaka

Aplikacje:

Zanurzone śmigło

Śmigło może być obsługiwany za pomocą dźwigni lub wał korbowy: najpierw autonomicznych podwodnych z energii mięśni, The Turtle , że Nautilus z Robert Fulton lub dzięki korb, jak na rowerze. Ten ostatni system jest używany przez kilka szybkich pojazdów typu wodolotów, a zwłaszcza przez małe łodzie typu rower wodny przy plaży , przy czym śmigło jest czasami zastępowane kołem łopatkowym.

Śmigło lotnicze

Śmigło jest obsługiwane pedałem: przekładnia dekawitatora , prędkość 18,5 węzła.

Napęd żagla

Napęd żaglowy polega na wykorzystaniu siły wiatru (silnika) do napędu żaglówki , najczęściej za pomocą żagli (ster strumieniowy). Liczne kombinacje kształtów i układów żagli dały początek szerokiej gamie zestawów , ale także kształtom kadłubów zaprojektowanych specjalnie dla tego typu napędu.

Zasada

Podobnie jak łopata wiosła, żagiel może działać na dwa sposoby:

  1. Żagiel można ustawić mniej więcej prostopadle do wiatru, który go „popycha” i tym samym przesuwa łódź do przodu. W tym przypadku mówi się, że przepływ jest „zatrzymany”, a wydajność jest średnia; jest to typ działania wszystkich żaglówek, gdy płyną one po kursie równoległym do wiatru, zwanym „tylnym wiatrem”.
  2. Żagiel można ustawić pod mniejszym kątem natarcia z wiatrem (mniej niż 20 °); w tym przypadku wiatr działa na żagiel jak na skrzydło samolotu , mówi się, że strumień jest „przyczepiony” po obu stronach żagla. Występuje względne obniżenie żagla „z wiatrem” (strona z koroną), które jest dodawane do względnego ciśnienia po stronie „pod wiatr” w celu napędzania łodzi. Kiedy wiatr wieje z boku, siła wywierana przez żagiel nie znajduje się w osi łodzi. Poprzeczna składowa tej siły jest siłą znoszenia (bocznego poślizgu), która musi być kompensowana przez uniesienie kilu lub „dryfującego” samolotu zapobiegającego znoszeniu . Siła wiatru powoduje przechylenie (przechylenie boczne), które musi być ograniczone przez efekt stałego balastu i / lub poprzeczne przemieszczenie ciężaru załogi lub masy ruchomej (balast).

Do przenoszenia czaszy potrzebna jest podniesiona podpora (najczęściej maszt ), sposób na założenie czaszy (fały) i ustawienie jej za pomocą różnych lin (szotów). W zależności od typu żagla może zaistnieć potrzeba zastosowania dodatkowych drzewców , takich jak bom lub kość do grota, tyczka do foka czy spinaker . Różne kształty żagli i sposób ich ustawienia na jednym lub kilku masztach pozwalają na scharakteryzowanie zestawów .

Olinowanie

Dwa rodzaje zestawów, w przeciwieństwie do ich pochodzenia geograficznego, ostatecznie połączyły się, aby uzyskać idealny żagiel pod względem wydajności i elastyczności:

  • tzw. typ łaciński i jego auryczna pochodna , w której żagiel spoczywa w osi łodzi, pochodzi z krajów śródziemnomorskich , przystosowanych do zmian chodu i bliskich wiatru, niezbędnych na tych wąskich morzach .
  • Tak zwany typ kwadratowy pochodzi z krajów nordyckich i oceanicznych, gdzie żagiel jest prostopadły do ​​osi statku, bardziej odpowiedni na duże odległości z wiatrem w tyle.

Jeśli pierwsze żaglówki miały tylko jeden żagiel, połączenie kilku żagli poprzez rozłożenie ich na wysokość i długość pozwala na poprawę manewrowości łodzi i dostosowanie żagli do warunków żeglugi. Łączenie różnych kształtów żagli na jednej łodzi występuje w karakach  ; zbudowane później statki wykazują wielką pomysłowość w takielunku. Obecnie zestawy zostały ponownie uproszczone i integrują tylko dwa lub trzy żagle, często z materiałów syntetycznych.

Żagle, ze względu na ich bardzo ekonomiczny i pozwalają autonomia, były wykorzystywane na większości statków, nawet po przybyciu pary, aż do końca XIX th  wieku , gdzie nawigacja żeglarstwo osiągnął swój szczyt techniczną cztery wózki i pięć wózki naczyń ponad 100  m , prowadzony przez niewielkie załogi. W konsekwencji potrzeba szybkości i regularności działania, autonomia, jaką zapewnia Diesel, oraz prawo pracy narzucające trzy burty zamiast dwóch doprowadziły do ​​jego zaniku najpierw dla okrętów wojennych, a potem handlu. Ostatnie duże statki handlowe, które oparły się długoterminowym ładunkom ciężkim, takim jak azotany z Chile, zniknęły w ciągu kilku lat w latach pięćdziesiątych (zatonięcie Pamiru w 1957 r.). Niektóre zastosowania niszowe przetrwały do ​​lat 70. Obecnie żagle są nadal używane na małych żaglówkach i niektórych luksusowych jachtach , do celów rekreacyjnych lub sportowych.

Sztywne żagle

  • Sztywne zestawy żaglowe były używane na regatach żaglowych typu katamaran, w szczególności klasy C (mini America Cup). Są to generalnie maszty skrzydłowe profilowane, składające się z ruchomych części pełniących funkcję klap krzywizny, również profilowane. Złożony mechanizm umożliwia pozycjonowanie różnych elementów w celu uzyskania pojedynczego lub podwójnego płata szczelinowego o wysokich współczynnikach siły nośnej .
  • Eksperymentalnym systemem był wirnik z efektem Magnus (zdjęcie przeciwne do Buckau Flettnera): Na Buckau dwa obrotowe maszty tworzą efekt Magnusa, który tworzy siłę nośną, jak żagiel.
  • Turbożagiel nie wykorzystuje efekt Magnus ale gruba sztywny żagiel z górnej powierzchni odsysania. Alcyone albo Baden-Baden umieścić ten system w praktyce, które jednak nie mają żadnych zastosowań komercyjnych, pomimo dobrych wyników, ze względu na złożoność wymaganych maszyn i jej kruchość, wymagające specjalnie zaprojektowany kadłub..

Śmigło do skanowania lotniczego

Były eksperymentalne systemy, w których energia wiatru była przechwytywana przez śmigło powietrzne (dość podobne w swojej charakterystyce do śruby napędowej turbiny wiatrowej).

Darmowe żagle

„Wolny” żagiel nie jest stawiany na takielunku; jest to elastyczne skrzydło połączone z łodzią za pomocą linki napinającej. Jego kształt (typ paralotni) powinien zapewniać stabilność aerodynamiczną niezbędną do utrzymania go w powietrzu. Trakcji latawiec jest obecnie rozwijana przez niemieckich SkySails firmową w celu umożliwienia oszczędności paliwa, który może wynosić od 10 do 30%. Właściwe testy odbyły się wgrudzień 2007na ładunku typu Beluga Skysails (132 metry długości, 9 770 ton). Powierzchnia skrzydła lecącego na wysokości od 100 do 300 m npm wynosi 160  m 2 , siła uciągu rzędu 5 ton. Prędkość tego statku wynosi 15,5 węzłów lub liczbę Froude'a 0,22. Przy tej prędkości opór względny jest rzędu 0,0025, co daje opór (opór ruchu do przodu) rzędu 25 ton. Trakcja żagla jest wtedy warta 20% oporu.

Ograniczenia systemu to martwa strefa o kącie 50 ° po obu stronach kierunku, z którego dociera wiatr, a prędkość statku jest mniejsza niż 16 węzłów.

Napęd zmotoryzowany

Napęd zmotoryzowany polega na obsłudze pędnika za pomocą silnika. System ten został wprowadzony na początku XIX th  century z silnikiem parowym uruchamiającej się wirnik , energia dostarczana przez spalanie węgla . Pierwsze prace i praktyczne zastosowania zostały przeprowadzone przez Amerykanina Roberta Fultona w 1803 roku . Od tego czasu powstały inne, bardziej wydajne systemy.

W każdym napędzie silnikowym możemy wyróżnić cztery główne funkcje:

  1. Pokładowe przechowywanie pewnej formy energii;
  2. Przekształcenie przez silnik dostępnej energii w energię mechaniczną;
  3. Przekazywanie tej energii do pędnika;
  4. Przekształcenie tej energii w siłę napędową przez paliwo.

Energia

Paliwa kopalne (węgiel, ciężki olej opałowy, olej napędowy, benzyna), energia jądrowa, energia elektryczna (energia mięśni). Schowek na pokładzie.

Silnik

Silnik jest odpowiedzialny za przekształcenie energii pierwotnej w paliwie do mechanicznej i / lub elektrycznej energii , czasami hydrauliczny. Dwie główne kategorie są zewnętrznymi silnikami spalinowymi (kotłów i maszyn lub turbiny parowe) oraz silników spalinowych ( diesel silników , silników benzynowych i turbiny gazowe ).

Spalanie zewnętrzne: para

Ten system jest najstarszy. Charakteryzuje się podziałem na dwie części: kocioł wytwarza energię poprzez podgrzanie wody na parę za pomocą paliwa; silnik przekształca tę kaloryczną energię w pracę mechaniczną.

Kotły składają się z zamkniętego korpusu, przez który przechodzą rury grzewcze, w których krąży podgrzewana ciecz, która otacza palenisko, w którym zachodzi spalanie . Pierwsze stworzone modele są dość proste ze względu na ograniczenia metalurgiczne tamtych czasów, rury grzejne wykonane są z miedzi, a ciśnienia wewnętrzne są bardzo niskie. Użycie stali umożliwi następnie bardzo znaczące zwiększenie wydajności poprzez zwiększenie ciśnień podczas gry i odzyskanie większości wytworzonej energii za pomocą bardzo wyrafinowanych technik. Pod koniec XIX -go  wieku , węgiel zaczyna ustępować do oleju jako paliwa, co zmniejsza nakład pracy wymagany do pracy, eliminując hordy kierowców , że zasilanych kotłów łopata i uproszczenie przechowywania paliwa, który jest teraz płynny . Okres rozkwitu tej technologii przypadł na lata 20. XX wieku . Po drugiej wojnie światowej zostały one ostatecznie wyparte ze względu na ich niższą wydajność, ale ich funkcję wytwarzania pary odkryto wówczas w reaktorach jądrowych, które mają tę zaletę, że wykorzystują prawie niewyczerpalne paliwo; zobacz artykuł Energia jądrowa .

Silnik może być silnikiem parowym lub turbiną parową  :

  • Silnik parowy jest maszyną alternatywną. W cylindrach wykorzystuje się rozprężanie pary poprzez popychanie tłoka  ; ten ruch prostoliniowy został następnie przekształcony w obrót za pomocą korbowodu , który działał na wał. W miarę postępu metalurgii i wzrostu ciśnienia wytwarzanych oparów, para przepływała przez kilka rozszerzeń, w kilku kolejnych cylindrach, dając początek maszynom do podwójnego, a następnie potrójnego rozprężania.
  • Turbina parowa jest maszyną rotacyjną, która pozwala na bardziej elastyczne i wydajne wykorzystanie pary, ruch kołowy eliminuje wiele mechanicznych strat tarcia i ułatwia osiąganie wyższych prędkości obrotowych. Na progu XX th  wieku , pierwsze badania zostały wykonane przez Brytyjczyk Charles Parsons i doprowadził do statku eksperymentalnej Turbinia , który osiągnął 34 węzłów w 1897 roku . Podobnie jak w przypadku silnika parowego, maksymalne wykorzystanie pary zostało znacznie poprawione dzięki zastosowaniu grup turbin pracujących w malejących zakresach ciśnień i napędzających ten sam wał. Zastosowanie turbin zakończyło się całkowitym zastąpieniem silników parowych tłokowych w okresie międzywojennym.

Systemy spalania zewnętrznego umożliwiają osiągnięcie dużych mocy (70 MW) przy paliwach niskiej jakości, ale przy dużym zużyciu (380  kg / MWh) i niskiej sprawności cieplnej. Są również bardzo długie w konfiguracji (4 godziny) i wymagają dużo miejsca. Nadal są one zwykle używane do zastosowań specjalistycznych: w budynkach wojskowych wykorzystujących energię jądrową dla lepszej autonomii oraz na nośnikach skroplonego gazu, gdzie możliwe jest ponowne wykorzystanie gazu z bunkrów.

Spalanie wewnętrzne: silnik spalinowy

Wynikający z pracy François Isaaca de Rivaza , wówczas Rudolfa Diesla , silnik spalinowy osiągnął moc akceptowalną do użytku morskiego przed pierwszą wojną światową . Z wyjątkiem najmniejszych łodzi są one typu Diesel . Pozwalają na wysokie uzyski, a tym samym mniejsze zużycie, ale wymagają mniej gruboziarnistych paliw, wymagających rafinacji produktów ropopochodnych. Wyróżniamy:

  • Dwusuwowy silnik wysokoprężny: Jest to najbardziej powszechne zastosowanie na statkach handlowych o długości od 100  m . Silniki te mogą zapewnić dużą moc (80 MW). Ich jednostkowe zużycie (170  kg / MWh) jest najniższe w porównaniu z silnikami cieplnymi, wynika to z dwusuwowego cyklu diesla, niskiej prędkości i efektów skali (duża objętość, powierzchnia o niskim współczynniku tarcia). Obracają się w zakresie od 80 do 180 obrotów na minutę, umożliwiając bezpośredni napęd pędnika. Mogą również używać paliw niskiej jakości. Z drugiej strony zajmują ważne miejsce (mały dom). Ich stosunek masy do mocy wynosi od 30 do 45  kg / kW; ich duża masa wymaga czasu na rozgrzanie (2 godziny).
  • Czterosuwowy silnik wysokoprężny: pracuje z prędkością pośrednią ( 400-800  obr / min ) lub wysoką (> 1000  obr / min ) i wymaga przekładni redukcyjnej w celu zmniejszenia prędkości (prędkości obrotowej) śruby napędowej. Oferuje większą elastyczność, ale jest mniej wydajny niż silnik dwusuwowy i zużywa więcej (220  kg / MWh). Mniejszy rozmiar pozwala na instalację kilku silników, co jest przydatne dla zapewnienia pewnej redundancji i lepszego zarządzania awariami. Silniki te są również używane do produkcji energii elektrycznej na większości statków ( generator ). Maksymalna moc na silnik wynosi około 28  MW . Stosunek masy do mocy pół-szybkiego oleju napędowego wynosi od 12 do 18  kg / kW, a od 2,5 do 4  kg / kW w przypadku szybkiego oleju napędowego.

Po II wojnie światowej , turbiny gazowe pochodzące z samolotowych silników zostały dodane do listy. Są to generalnie turbiny lotnicze „marynowane” (dodatek wału i materiałów odpornych na korozję). Mogą zapewnić dużą moc (do 43  MW ) przy niewielkiej masie (stosunek masy do mocy od około 1,2 do 4  kg / kW), a także pozwalają na wyjątkowo krótkie czasy rozruchu rzędu dwóch minut, stąd ich częste stosowanie na statkach wojskowych do szybkiego przyspieszenia. Ze względu na bardzo duży przepływ powietrza turbiny wymagają dużych kanałów dolotowych i wylotowych powietrza. Przede wszystkim są bardzo drogie w zakupie i eksploatacji, ponieważ zużywają więcej (od 250 do 300  kg / MWh) i wymagają bardzo dobrej jakości paliwa.

W pierwszej dekadzie XXI wieku maksymalny dopuszczalny poziom siarki w ciężkim oleju opałowym używanym przez statki cywilne wynosił 3,5  % . Międzynarodowa Organizacja Morska przyjęła27 października 2016 r Data 1 st styczeń +2.020dla uogólnienia maksymalnego progu siarki na 0,5  %, aw 2019 roku maksymalnego tolerowanego 1,5  % . Granatowy z NATO nałożyć zawartość siarki 0,1  %, od około 1980 roku.

Okrętowy napęd jądrowy: reaktor jądrowy

Statki o napędzie atomowym wykorzystują jeden lub więcej reaktorów jądrowych. Wytworzone ciepło jest przekazywane do płynu ciepłonośnego używanego do wytwarzania pary wodnej, uruchamiając:

  • turbiny sprzężone ze śmigłami (napęd parowy);
  • turbiny sprzężone z alternatorami zasilającymi cały budynek w energię elektryczną, ewentualnie silniki elektryczne (napęd elektryczny).

Na świecie istnieje około 400 statków o napędzie atomowym, w większości wojskowych, zwłaszcza okręty podwodne , ale także lotniskowce i krążowniki oraz kilka statków cywilnych ( lodołamacze ). W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku doświadczano również ładunków jądrowych (amerykański NS Savannah , niemiecki Otto Hahn i japoński Mutsu ), ale ich użycie nie okazało się opłacalne, eksperymenty te zostały przerwane.

Inwestycje i koszty operacyjne napędu jądrowego sprawiają, że jest on naprawdę interesujący dla celów wojskowych, a zwłaszcza dla okrętów podwodnych. Ta energia przynosi:

  • Bardzo duża autonomia pozwalająca na uniknięcie w operacjach przymusu tankowania (powrót do portu lub tankowanie na morzu). Na lotniskowcach przestrzeń zwolniona przez brak bunkra paliwowego pozwala na poświęcenie większej ilości miejsca na przechowywanie paliwa lotniczego i amunicji.
  • Napęd całkowicie niezależny od atmosfery.
    • Podczas gdy konwencjonalne łodzie podwodne są zmuszane do wynurzania się na powierzchnię (lub zanurzenia peryskopu za pomocą fajki ), aby zasilić silniki Diesla powietrzem (tlenem) i tym samym naładować ich akumulatory elektryczne, po kilkudziesięciu godzinach nurkowania z silnikami elektrycznymi (kilka dni dla osób wyposażonych w napęd AIP ), co czyni je wykrywalnymi i wrażliwymi, okręty podwodne o napędzie atomowym mogą pozostawać w nurkowaniu przez kilka miesięcy, zachowując w ten sposób swoją dyskrecję.
    • Mogą również utrzymywać wysokie prędkości nurkowania w czasie, których konwencjonalna łódź podwodna nie mogłaby utrzymać dłużej niż kilkadziesiąt minut bez całkowitego rozładowania swoich akumulatorów.

Dlatego napęd jądrowy daje okrętom podwodnym decydującą przewagę do tego stopnia, że ​​możemy zakwalifikować konwencjonalne okręty podwodne jako proste okręty podwodne.

Transmisja

Wytwarzana energia mechaniczna pozostaje, aby przekazać ją do silników odrzutowych. Historycznie zastosowana metoda była najprostsza: wał silnika napędzał bezpośrednio śrubę napędową lub wał koła. Jednak zaspokojenie kilku potrzeb może prowadzić do pewnej złożoności transmisji.

Skrzynka falownika / reduktora
  • Odłączanie. Układ sprzęgła służy do sprzęgania lub odłączania silnika od linii wału.
  • Falownik. W przypadku stałego rozrządu śruby napędowej , odwrotność uzyskuje się poprzez odwrócenie kierunku obrotów wału.

Te dwa systemy są zwykle zawarte w obudowie skrzyni biegów.

  • Zmniejszenie. Silniki mogą mieć zbyt dużą prędkość obrotową dla optymalnej pracy pędnika. Reduktor posiada układ wałków i kół zębatych; stosunek liczby zębów określający różnicę prędkości obu wałów.
  • skrzynki z kilkoma wejściami / wyjściami. Dzięki temu kilka silników może napędzać jeden wał lub odwrotnie. Następnie możemy łączyć różne typy silników, aby jak najlepiej wykorzystać ich zalety. Na przykład turbiny gazowe są zwykle łączone z silnikami wysokoprężnymi na różne sposoby:
    • CODAG , dla diesla i gazu połączonego z silnikami : Prędkość przelotową zapewniają silniki Diesla, które są bardziej ekonomiczne, podczas gdy turbiny gazowe zapewniają dodatkową moc do przyspieszenia: używane na statkach wojennych.
    • COGOG , dla gazu lub gazu w skojarzeniu : prędkość przelotową zapewniają turbiny gazowe dużej mocy; w przypadku sprintu zamiast niej używana jest inna turbina.
    • Istnieją konfiguracje CODOG lub COGAG w tym samym modelu , jednak rzadziej.
Przekładnia mechaniczna
  • Według linii drzew:
Klasyczny montaż: silnik zasadniczo poziomy - linia wału - śmigło, Montaż z kątowaniem na wylocie skrzyni biegów; wał jest pochylony o 8 lub 10 stopni w dół. Mocowanie z mocnym kątem lub "  V-drive  "; przekładnia kątowa jest umieszczona przed silnikiem, wał przechodzi pod silnikiem.
  • Przez jedną lub dwie przekładnie narożne:
Silniki zaburtowe (pionowy silnik wału korbowego, pionowy wał, przekładnia stożkowa, śmigło), Żagiel napędu przekładni , jeden lub dwa kątowe transmisji w zależności od położenia silnika, pionową lub poziomą śrubą pod kadłubem. Przekładnia Z-drive , dwa skosy, podstawa i śruba napędowa na pawęży (gwiazdy) Przekładnia Z-drive , dwie skrzynie biegów , śmigło pod kadłubem. Śmigło może być opcjonalnie zorientowane w zakresie 360 ​​°, stąd jego częste używanie na holownikach dla zapewnienia w ten sposób manewrowości. Przekładnia elektryczna

W tym przypadku silniki główne działają jak generatory prądu (podobnie jak agregat prądotwórczy przeznaczony wówczas prawie wyłącznie do napędu), a wały napędowe napędzane są silnikami elektrycznymi (czasami zanurzonymi) . Jeśli ogólne zasady przesyłania energii elektrycznej istniały od około 1940 r., Bardzo niedawne osiągnięcia w energoelektronice zaowocowały wieloma innowacjami technicznymi. Techniczne połączenie kapsuły z nią nastąpiło niedawno i rozwinęło się około 1990 roku. Ogólnie rzecz biorąc, przekładnia elektryczna ma coraz więcej zalet w miarę rozwoju technicznego. Posiada konkurencyjne urządzenie, które jest rzadko używane na statkach z powodu zanieczyszczenia, przekładnię hydrostatyczną (lub nazywaną również hydrauliczną) o zaletach mechanicznych bardzo podobnych do przekładni elektrycznych, które:

  • eliminuje długie wały silnika, pozwala na umieszczenie silników diesla w różnych miejscach na statku,
  • eliminuje duży hałas rozchodzący się podczas długich transmisji mechanicznych, harmoniczne sprzężenia i naturalne częstotliwości wału silnika. Te wewnętrzne redukcje znacznie upraszczają zatem urządzenia antywibracyjne, zawieszenia i ekrany tłumiące (emitowany hałas powietrzny); uproszczenie wygłuszenia maszyny (przedziału maszynowego) ( izolacja akustyczna ),
  • łatwiejsze wyważanie statku (centrowanie ciężaru) ,
  • uwalnia tomy, które zostały przecięte liniami drzew,
  • eliminuje skomplikowane przejścia kadłuba z dynamicznym uszczelnieniem (uszczelnione łożysko) itp.,
  • drastycznie zmniejsza bezwładność łańcucha kinematycznego napędu (znacznie szybsze zatrzymywanie i odwracanie kierunku) ,
  • lepiej znosi wibracje śmigła, nagłe zmiany prędkości (przykład na lodołamaczach ),
  • podkreśla również mobilność poprzez możliwość nagłych zmian orientacji śruby napędowej, jeśli jest ona połączona z gondolą , „gondolą” na zewnątrz kadłuba. System ten pozwala oprócz orientacji 360 ° na lepszą wydajność dzięki możliwości umieszczenia śmigła z przodu zasobnika lub umieszczenia dwóch przeciwbieżnych (zwiększa wydajność).

Cichszy napęd elektryczny jest stosowany w fazach nurkowania, dzięki zastosowaniu akumulatorów na łodziach podwodnych ( diesel-electric ) od 1935 roku (w fazie snorkelingu hałas jest wysoki, ponieważ silniki Diesla ładują baterie) . Te wojenne okręty podwodne, nadal w użyciu, mają wał napędowy. Ich elektryczne silniki napędowe znajdują się wewnątrz łodzi podwodnej. Na eksploracyjnych łodziach podwodnych jest tyle zewnętrznych elektrycznych silników odrzutowych, takich jak POD, ile jest wewnętrznych silników elektrycznych. W przypadku atomowych okrętów podwodnych istnieje kilka rozwiązań: wewnętrzny silnik napędowy może być turbiną parową lub elektryczną, istnieją również zewnętrzne kapsuły elektryczne.

Push urządzenia końcowe

Końcówka oporowa przekształca energię mechaniczną w osiową siłę napędową (w osi statku) . W prawie wszystkich systemach siła napędowa jest wywierana z tyłu statku. Rzeczywiście, prędkość, fale mają tendencję do podnoszenia dziobu . Z drugiej strony, objętość wody wypierana przez ciąg kadłuba ogranicza turbulencje wody pod jego rufową połową, regulując siły napędowe, zmniejszając drgania i poprawiając tym samym sprawność ogólną. W najbardziej ogólnym przypadku długi wał (lub nawet kilka) , prawie równoległych do kadłuba (nachylony do tyłu pod kątem 4 do 10 °) , umożliwia przesunięcie źródła pierwotnej energii mechanicznej (wewnątrz) urządzenia naporowego. ( na zewnątrz) . Na nowoczesnych statkach między tymi dwoma mechanicznymi biegunami (pierwotna energia mechaniczna i mechaniczna energia ciągu) wkradają się innowacje technologiczne ( przekładnie mechaniczne, elektryczne lub hydrauliczne) . Jeżeli generalnie terminale ciągu działają na zasadzie bezpośredniego oddziaływania na wodę, tak jak w lotnictwie, znaczną część ciągu może również wytworzyć przyspieszenie masy płynu kierowanego w dyszy (ciąg reakcyjny ) .

Koło łopatkowe

Koło łopatkowe jest pierwszym systemem używanym w przeszłości do żeglugi rzecznej lub przybrzeżnej z silnikiem parowym oraz dla pierwszych statków transatlantyckich. Jednak niska sprawność koła, jego wymiary boczne, podatność na uszkodzenia (okręty wojenne) doprowadziły do ​​zastąpienia go systemami śmigłowymi . Ten materiał pędny nie jest już używany w więcej niż kilku łodziach na wodach śródlądowych: na przykład w promach na Jeziorze Genewskim .

Zanurzone śmigło

Śmigło jest obecnie najczęściej stosowany materiał miotający. Zwykle umieszczony z tyłu statku, obraca się wokół poziomej lub lekko nachylonej osi. „Całkowita prędkość” łopat (suma prędkości obrotowej i prędkości do przodu) generuje ciąg, który porusza statek do przodu.

  • Liczba ostrzy. Śmigła mogą mieć od 2 do 3 łopat (małe łodzie), 4 łopaty (większość statków handlowych) lub do 7 lub 8 łopatek (łodzie podwodne).
  • Nie naprawiony. W swojej najprostszej i najpowszechniejszej formie jego geometria jest stała; mówimy o śmigle „o stałym skoku”.
  • Nie zmienna. Jeśli skok (skok łopatek) można modyfikować, nazywa się to „śmigłem o zmiennym skoku”. W tym przypadku nachylenie , to znaczy orientacja łopatek, można regulować w celu zapewnienia optymalnej wydajności przy różnych prędkościach. Ten system, który ma tę wadę, że jest dość złożony (a przez to droższy), jest stosowany na holownikach i trawlerach w celu poprawy ich właściwości trakcyjnych, a także na statkach towarowych .
  • Odwrócenie wysokości tonu. Mechanika zmiany skoku umożliwia również odwrócenie ciągu (uzyskanie do przodu lub do tyłu) na poziomie śruby bez odwracania kierunku obrotów śruby.
  • Śmigło ze składanym ostrzem. Używany na łodziach żaglowych w celu zmniejszenia oporu śruby pod żaglami. Istnieją również śmigła piórowe.
  • Liczba śmigieł. Statki pasażerskie muszą mieć co najmniej dwa pędniki, a więc co najmniej dwie śruby napędowe. Mówimy o „podwójnych śmigłach”, gdy dwa śmigła są umieszczone po obu stronach z tyłu statku. System ten poprawia manewrowość (ciąg różnicowy) i elastyczność użytkowania statku. Możliwe są inne konfiguracje z trzema lub czterema śmigłami, zwłaszcza na dużych okrętach wojskowych ( lotniskowcach i krążownikach ) i statkach wycieczkowych .
  • Śmigła przeciwbieżne. Kiedy śmigła są ustawione jeden za drugim, obracają się one w przeciwnym kierunku. Śmigło tylne odzyskuje siły, prostując część energii rozpraszanej podczas obrotu przez przednią śrubę napędową. Te torpedy często korzystają z tej konfiguracji, które jest kosztowne i skomplikowane dla dużych mocy. Istnieją również systemy, w których tylne śmigło jest wolne i ma większą średnicę niż przednie. W tym przypadku śmigło tylne odzyskuje energię obrotową wody wprawianej w ruch przez śmigło napędowe (w tarczy o średnicy pędnika napędowego) i zapewnia dodatkowy napór na końcu łopaty (średnica tarczy większa niż pędnik napędowy) . Zyski tego systemu są rzędu 8%.
Śmigło dyszy
  • Dysza trakcyjna lub dysza Korta . Możliwe jest dodanie dyszy do śmigła; w większości przypadków dysza służy do zwiększania siły uciągu przy małej prędkości (na holownikach i trawlerach). Niektóre z tych dysz umożliwiają również kierowanie strumieniem wody
  • Dysza „dyskrecji”. Montowana na niektórych łodziach podwodnych dysza ogranicza nadmierne prędkości na końcu łopatki, co opóźnia początek kawitacji i związany z nią hałas. W przypadku okrętów podwodnych ten rodzaj paliwa nazywany jest również pędnikiem pompy. Oprócz dyszy zastosowano system łopatek na wlocie do dyszy, który zapewnia ruch przedobrotowy dla przepływu wody przed śmigłem. System ten umożliwia zwiększenie wydajności samego paliwa w porównaniu z pojedynczym śmigłem. Z drugiej strony jego koszt, masa i ogólna wydajność systemu sprawiają, że jest to paliwo niewykorzystywane w napędzie cywilnym.
Śmigła na strąkach

Pod określa się w opozycji do najbardziej ogólnym przypadku, w którym śruba napędowa jest napędzana przez długi wałek silnika przechodzi przez kadłub przez uszczelnione łożysko; proste końcowe łożysko wału napędowego czasami uzupełniane przez drugie zewnętrzne (śmigło jest podparte na końcu wału silnika). „Pod” nie ma długiego trzonu przechodzącego przez kadłub. Wypukłość kadłuba zwana kapsułą utrzymuje śmigło bardzo mocno, podczas gdy wewnętrzne urządzenie mechaniczne zapewnia energię obrotową napędzającą śmigło. Ta gondola jest najczęściej obracana w pionie, aby służyć do efektywnego obracania statku. Kapsuły te mogą przenosić tak zwane śmigło „traktorowe” umieszczone z przodu gondoli lub śmigło śmigłowe. Może mieć również dwa śmigła, zamontowane w tandemie, jedno z przodu a drugie z tyłu lub dwa śmigła przeciwbieżne.

Wreszcie sposób, w jaki energia mechaniczna dociera do wału napędowego, wyróżnia dwa bardzo różne typy zasobników, które są przeciwstawne.

  • Starszy ma przekładnię prostopadłą do pionowego śmigła, podobnie jak silnik zaburtowy . Jest to pędnik azymutalny pochodzący z 1960 roku. Wszystkie typy silników są przeważnie o osi poziomej, dlatego występują dwie przekładnie kątowe 90 ° (bardzo często przekładnie stożkowe ). Schematycznie te trzy osie wyglądają trochę jak litera Z, dlatego bardzo często żeglarze nazywają je „napędami Z”. Początkowo systemy te zostały opracowane dla holowników.
  • Druga, bardziej nowoczesna technologia (wynaleziona około 1995 roku), wymagająca dużego rozpraszania ciepła, to uszczelniony silnik elektryczny na bardzo krótkim wale silnika podtrzymującym śmigło, opracowany przez firmę ABB . Od 2010 roku statki wycieczkowe uczyniły z niego swoje główne urządzenie napędowe. Rozwój technologiczny dopuszcza obecnie takie plony, które mogą przekroczyć wszystkie inne wymagania. Moc osiągnięta na pojedynczym śmigle przekracza 20  MW dla najpotężniejszego (patrz Harmony of the Seas ).

Kierunek; gondolę można zamocować, ale najczęściej można ją orientować. W przypadku zasobników stacjonarnych mały ster za śrubą napędową zapewnia kierunek statkowi. ""

Śmigła powierzchniowe

Są to śruby częściowo zanurzone, ze szczególnym profilem łopatki, aby uniknąć „wentylacji” profilu. W tej konfiguracji wał napędowy wychodzi z pawęży nad wodą; nie ma steru, to poprzeczne ustawienie wału napędowego zapewnia manewrowość (ciąg wektorów). Ten system jest używany na szybkich łodziach (powyżej 30 węzłów).

Hydrojety lub dysze wodne.

Śmigło jest umieszczone w kanale; woda jest pompowana pod kadłub i wyrzucana na poziomie pawęży na otwarte powietrze. Orientacja strumienia jest kontrolowana w płaszczyźnie bocznej, aby zapewnić kierunek, aw płaszczyźnie pionowej, aby uzyskać odwrócenie kierunku ciągu (do tyłu), zastępując w ten sposób ster i rewers.

Ten typ steru strumieniowego został po raz pierwszy użyty na małych, bardzo zwrotnych statkach portowych pod marką Schottel. Jest często używany (od 25 węzłów) na statkach pasażerskich i jest najczęściej stosowany przy dużych prędkościach (powyżej 30 węzłów): szybkie jachty , szybkie promy ( NGV ), wodoloty dla wojska. Ze względów bezpieczeństwa hydrojety są montowane w pojazdach rekreacyjnych, takich jak skutery wodne lub skutery wodne, zamiast śmigieł.

Ster strumieniowy typu Voith-Schneider

Są zawsze instalowane parami . Obracają się wzdłuż osi pionowej, ostrza zachowują się jak folie  ; Możliwość bardzo szybkiej regulacji kierunku przepływu wody sprawia, że ​​system ten jest szczególnie interesujący dla holowników, ale jego złożoność utrudnia korzystanie z napędów typu Z lub pędników azymutalnych.

Śmigła manewrowe

Wreszcie, pędniki poprzeczne lub „pchacze” („  ster strumieniowy dziobowy  ” i „  ster strumieniowy rufowy  ” w języku angielskim) to pędniki działające w kierunku poprzecznym w tunelu przecinającym kadłub w celu wspomagania i ułatwienia manewrów statków, zwłaszcza w żegludze rzecznej iw porcie. podejścia. Mogą być napędzane silnikiem wysokoprężnym , mechanicznie, hydraulicznie lub elektrycznie .

  • Różne śmigła manewrowe

  • Rysunek śmigieł pionowych i poziomych Żółwia z 1775 roku

  • Podwójne śmigła zamontowane na strąkach

  • Śmigło i ster nowoczesnego statku towarowego

  • Śmigło dyszy

Śmigło lotnicze

Jednostki o bardzo płytkim zanurzeniu ( wodoloty ) i te, które poruszają się nad wodą (statki podnoszące, poduszkowce powietrzne i samoloty z efektem naziemnym ) używają sterów strumieniowych:

  • Swobodne śmigło stałe lub kanałowe, z powierzchnią steru umieszczoną w strumieniu;
  • Śmigło swobodne lub owalne, obracające się (siła ciągu wektorów);
  • Reaktor (bardzo rzadko używany ze względu na bardzo niską efektywność ekonomiczną lub tylko jako dodatek startowy do samolotów z efektem naziemnym takich jak Ekranoplans ).

Zewnętrzny napęd silnikowy

Ciągnięcie zwierząt zostało stopniowo zastąpione trakcją mechaniczną, którą można wytwarzać na różne sposoby:

Zaletą barki bez napędu jest zapewnienie pewnej elastyczności i większej rentowności operacji: podczas gdy barka wykonuje operacje załadunku i rozładunku w porcie (co wymaga czasu), holownik może zostać zwolniony na kolejny ruch. System holowników i barek jest nadal używany na jeziorach i dużych rzekach oraz na pełnym morzu do przenoszenia platform wiertniczych na miejsce ich eksploatacji. Niektóre statki są również przekształcane pod koniec ich życia poprzez usunięcie ich maszyn napędowych, które stały się przestarzałe, i przekształcenie ich w ruchome lub stałe barki; dotyczy to zwłaszcza niektórych tankowców, które służą jako pływające jednostki magazynowe.

Systemy eksperymentalne

Napęd magnetohydrodynamiczny opiera się na sile Laplace'a  : jeśli prąd elektryczny przepływa przez ciało poddane działaniu pola magnetycznego , wówczas ciało to jest poddawane działaniu siły . Jednak woda morska jest przewodnikiem . W teorii wystarczy więc włożyć (duży) magnes do statku, a następnie rozprowadzić prąd elektryczny w wodzie poddanej wytworzonemu polu magnetycznemu, aby wprawić wodę w ruch względem statku, czyli - tj. (symetrycznie), aby wprawić statek w ruch względem wody. To bez ruchomych części, a więc bez hałasu, bez wirów i bez potrzeby kierowania wody do wnętrza naczynia. Stery również są zbędne: wystarczy zmienić kierunek prądu (lub pole magnetyczne, jeśli używasz elektromagnesu), aby odwrócić siłę po jednej stronie statku i w ten sposób zorientować go. Prąd musi być w fazie z polem magnetycznym, a więc ciągły, jeśli magnes jest trwały i nieruchomy, ale ponadto możliwych jest wiele konfiguracji (w szczególności z elektromagnesem).

Jednak wady nie są dobrze kontrolowane: zagrożenia elektryczne i magnetyczne, elektroliza wody morskiej (utrata sprawności elektrycznej i ryzyko wytwarzania produktów szkodliwych dla życia i agresywnych dla sprzętu, takich jak chlor i wodór ), potrzeba silnych magnesów, słabe ciągi na jednostkę powierzchni itp. Dlatego proces ten pozostaje eksperymentalny. We wczesnych latach 1990 , Mitsubishi produkowane łodzi, Yamato 1 za pomocą napędu MHD. Pracował przy użyciu magnesów nadprzewodzących chłodzonych helem i mógł poruszać się z prędkością 15  km / h .

Po raz pierwszy wyreżyserowany przez Toma Clancy'ego w powieści szpiegowskiej Polowanie na Czerwony Październik , tryb napędu MHD został później zaprezentowany szerokiej publiczności w filmowej adaptacji powieści W pogoni za Czerwonym październikiem w 1990 roku.

Napęd odrzutowy: na zasadzie podobnej do zasady odrzutowej , pęcherzyki gazu są wyrzucane do dyszy; wywołane w ten sposób rozszerzanie się płynu wytwarza ciąg do przodu. Gaz może być wytwarzane za pomocą sprężonego powietrza lub w wyniku reakcji chemicznej z wodą „paliwo”, takie jak sód lub lit . Dotychczasowe wyniki nie są zbyt zachęcające ze względu na bardzo niską wydajność, niebezpieczeństwo związane z zastosowanymi produktami i konieczność uruchomienia systemu pomocniczego.

Napęd przez płetwę, trzepotanie lub oscylacje wodolotu. Eksperymenty na wyścigowych łodziach podwodnych napędzanych przez ludzi dają coraz bardziej satysfakcjonujące wyniki.

Uwagi i odniesienia

  1. Gdyby lina była przymocowana do dziobu statku, nigdy nie przestałaby zbliżać się do holowników ... i brzegu.
  2. Frédérick Auvray, „  IMO ratyfikuje uogólnienie od 2020 r. Ilości siarki ograniczonej do 0,5%  ” , w Le Marin ,27 października 2016 r(dostęp 11 listopada 2019 ) .
  3. Laurent Lagneau, „  Francuska marynarka wojenna obawia się wzrostu cen swoich paliw  ” , na OPEX360 (przegląd 11 listopada 2019 ) .
  4. (mul) Schottel
  5. (w) James Overduin Viktor Polyak, Anjalee Rutah Thomas Sebastian, Jim Selway, Daniel Zile, „  The Hunt for Red October II: A magnetohydrodynamic boat demonstration for introducting physics  ” , The Physics Teacher 55, 460 ,listopad 2017, s.  460-466 ( ISSN  0031-921X , DOI  10.1119 / 1.5008337 , czytaj online )
  6. „  www.wavepropulsion.com  ” , na www.wavepropulsion.com (dostęp 15 października 2018 )

Zobacz też

Bibliografia

  • Kenneth Rawson i Eric Tupper, Basic Ship Theory [ szczegóły wydań ]
  • Dominique Paulet i Dominique Presles, architektura marynarki wojennej, wiedza i praktyka [ szczegóły wydań ]
  • Nauczyciel. Anthony Molland, Ship Resistance & Propulsion , notatki z wykładów, mgr inż. Ship Science , University of Southampton
  • Friends of the Tall Ships - Sail Training Association France , Tall Ships Infos , Lyon, Imprimerie Veoprint,2017, 43  s.nr 82 Lato 2017. Napęd żeglarski w marynarce wojennej - Gérard Gachot, str. 26 do 28

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne