În construcția navală , propulsia se referă la toate sistemele care permit navelor și bărcilor să se deplaseze. Este realizat de un propulsor acționat de un motor . Propulsorul poate fi:
Un sistem de propulsie îndeplinește mai multe obiective:
O serie de construcții plutitoare nu au un sistem de propulsie autonom și necesită intervenție externă pentru a se deplasa. Acesta este cazul șlepurilor de râu: odată au fost trase de cai care mergeau de-a lungul malurilor unui canal, uneori de oameni când barca era suficient de ușoară. Pentru acest tip de propulsie, frânghia de transport a fost transportată de un catarg amplasat aproximativ în prima treime a ambarcațiunii; acest pol se numește arbouvier (al „copacului”).
Barcile sau feriboturile erau, de asemenea, propulsate de o rundă de cai sau de boi la bord, de rotițele cu palete de activare ale caruselului sau de un lanț de tractare .
În această expresie, termenul „propulsie” desemnează de fapt motorul și nu propulsorul. Englezii folosesc expresia mai exactă " human powered ". Propulsia este umană atunci când o persoană își folosește mâinile (și picioarele) ca propulsor pentru a se deplasa prin apă sau peste apă.
Acest tip de transport uman a durat până la generalizarea motoarelor termice pe bărcile fluviale (în Franța, a fost numită „Halage à la bricole ”).
Utilizarea unui stâlp sau a unui vâsle atunci când adâncimea este suficient de mică (imaginea opusă în dreapta).
Forța musculară este probabil prima forță motrice utilizată pe o navă, ca și pe barca solară a lui Keops cu sistemul său de canotaj.
PaletăÎn general, acest tip de propulsie constă în acționarea unui vâsel format dintr-un mâner și o lopată scufundată; trenul poate fi conectat fie la barca cu una sau două oarlocks , o vâslă sau alimentator naviga sau să fie ținut în ambele mâini. Acțiunea efectuată constă dintr-o mișcare regulată înainte și înapoi, alternând o fază de împingere a lopatei în apă și o fază de întoarcere a lopatei din apă, sau alternând fazele de împingere în întregime în apă la craniu.
Acțiunea lopatei în apă este de două feluri: cu sculul, lopata acționează ca o aripă , cu un unghi de incidență redus menținând un flux atașat de ambele părți ale lopatei; cu acțiunea de vâslit, lopata împinge apa direct spre partea din spate a bărcii, în curgere complet decuplată.
Aplicații:
Elicea poate fi acționată de o pârghie sau de un arborele cotit: primele submarine autonome cu energie musculară, Turtle , Nautilus de Robert Fulton sau datorită unei manivele, ca pe o bicicletă. Acest din urmă sistem este utilizat de câteva vehicule de viteză de tip hidrofol și în special de bărci mici de pe plajă, de tip barcă cu pedale , elicele fiind apoi înlocuite uneori cu o roată cu palete.
Elice aerieneElicea este acționată de o pedală: angrenaj decavitator , viteză 18,5 noduri.
Propulsia cu navigație constă în utilizarea forței vântului (motorului) pentru a propulsa o barcă cu pânze , cel mai adesea datorită pânzelor (propulsorului). Numeroasele combinații de forme și așezări ale pânzelor au dat naștere la o mare varietate de platforme , dar și la forme ale corpului special concepute pentru acest tip de propulsie.
La fel ca lopata unui vâsle, o pânză poate funcționa în două moduri:
Pentru a purta copertina, aveți nevoie de un suport ridicat (de obicei un catarg ), o modalitate de a stabili copertina (curțele) și de a o orienta prin diferite frânghii (foi). În funcție de tipul de navă, ar putea fi nevoie de spare suplimentare, cum ar fi un braț sau o osă pentru o velă mare, un stâlp pentru un braț sau un spinnaker . Diferitele forme ale pânzelor și modul în care sunt așezate pe unul sau mai multe catarguri permit caracterizarea șireturilor .
Două tipuri de platforme, opuse de originea lor geografică, au ajuns să se combine pentru a obține vela ideală din punct de vedere al eficienței și flexibilității:
Dacă primele bărci cu pânze aveau o singură pânză, combinația mai multor vele prin distribuirea lor în înălțime și lungime face posibilă îmbunătățirea manevrabilității bărcii și adaptarea velei la condițiile de navigație. Combinarea diferitelor forme de pânze pe o singură barcă are loc cu caracșele ; vasele construite ulterior arată o mare inventivitate în montaj. În prezent, platformele au fost simplificate din nou și integrează doar două sau trei pânze, adesea în materiale sintetice.
Velele, din cauza lor foarte economice și permit o autonomie, au fost utilizate pe cele mai multe nave , chiar și după sosirea aburului, până la sfârșitul XIX - lea secol , în cazul în care navigația de navigatie a atins apogeul tehnic cu nave-patru braț și cinci catarge lung de peste 100 m , condus de echipaje mici. Ulterior, nevoia de rapiditate și regularitate a funcționării, autonomia permisă de Diesel și legea muncii care impunea trei laturi în loc de două, au dus la dispariția acesteia pentru navele de război mai întâi, iar pentru comerț apoi. Ultimele nave comerciale mari, care rezistaseră încărcăturilor grele pe termen lung, cum ar fi nitrații din Chile, au dispărut în câțiva ani în anii 1950 (scufundarea Pamirului în 1957). Unele utilizări de nișă au rămas până în anii 1970. În zilele noastre, pânzele sunt încă folosite pe bărcile cu pânze mici și pe anumite iahturi de lux, pentru plăcere (agrement) sau navigație sportivă.
Au existat sisteme experimentale în care energia vântului a fost capturată de o elice aeriană (destul de similară în caracteristicile sale cu o elice de turbină eoliană).
O navă „liberă” nu este așezată pe o platformă; este o aripă flexibilă conectată la barcă printr-un cablu de tensiune. Forma sa (tip parapantă) ar trebui să îi ofere stabilitatea aerodinamică necesară pentru a-l menține în aer. Un zmeu de tracțiune este în prezent dezvoltat de firma germană SkySails pentru a permite economii de combustibil care ar putea varia de la 10 la 30%. Testele propriu-zise au avut loc îndecembrie 2007pe cargo- tip Beluga Skysails (132 de metri lungime, 9,770 tone). Suprafața aripii care zboară între 100 și 300 de metri altitudine este de 160 m 2 , forța de tracțiune fiind de ordinul a 5 tone. Viteza acestei nave este de 15,5 noduri sau un număr Froude de 0,22. La această viteză, tracțiunea relativă este de ordinul 0,0025, ceea ce dă o tracțiune (rezistență la mișcare înainte) de ordinul a 25 de tone. Tracțiunea pânzei valorează apoi 20% din rezistență.
Limitările sistemului sunt un punct mort de 50 ° pe ambele părți ale direcției din care vine vântul și viteza navei este mai mică de 16 noduri.
Propulsia motorizată constă în acționarea unui propulsor folosind un motor. Acest sistem a fost introdus la începutul XIX - lea lea cu motorul cu aburi de acționare un rotor cu palete , energia furnizată de arderea cărbunelui . Primele lucrări și aplicații practice au fost realizate de americanul Robert Fulton în 1803 . De atunci, au fost create alte sisteme mai eficiente.
În orice propulsie motorizată, putem distinge patru funcții principale:
Combustibili fosili (cărbune, păcură grea, motorină, benzină), energie nucleară, electricitate (energie musculară). Depozitare la bord.
Motorul este responsabil pentru transformarea energiei primare a combustibilului în mecanice și / sau electrice de energie , uneori hidraulic. Cele două categorii principale sunt motoarele cu ardere externă (cazane și mașini sau turbine cu abur) și motoarele cu ardere internă ( motoare diesel , motoare pe benzină și turbine cu gaz ).
Arsură externă: aburAcest sistem este cel mai vechi. Se caracterizează prin divizarea sa în două părți: cazanul produce energie prin încălzirea apei la abur folosind combustibil; motorul transformă această energie calorică în lucru mecanic.
Cazanele constau dintr-un corp etanș, traversat de tuburi de încălzire pe unde circulă lichidul de încălzit, care înconjoară o vatră unde are loc arderea . Primele modele create sunt destul de simple datorită limitărilor metalurgiei vremii, tuburile de încălzire sunt din cupru și presiunile interne sunt foarte mici. Utilizarea oțelului va face ulterior posibilă creșterea eficienței foarte puternic prin creșterea presiunilor în joc și recuperarea majorității energiei create, prin tehnici foarte rafinate. La sfârșitul XIX - lea secol , cărbunele începe să cedeze la ulei drept combustibil, ceea ce reduce forța de muncă necesară pentru a opera, eliminând hoardele de șoferi care au alimentat cazanele lopata și pentru a simplifica depozitarea combustibilului, care este acum lichid . Apogeul acestei tehnologii a venit în anii 1920 . După cel de- al doilea război mondial , au fost înlocuiți definitiv din cauza eficienței lor mai scăzute, dar funcția lor de producere a aburului s-a găsit apoi în reactoarele nucleare care au avantajul de a folosi un combustibil aproape inepuizabil; vezi articolul Energia nucleară .
Motorul poate fi un motor cu abur sau o turbină cu abur :
Sistemele de ardere externe permit obținerea de puteri mari (70 MW) cu combustibili de calitate slabă, dar cu consum ridicat (380 kg / MWh) și eficiență termică redusă. De asemenea, sunt foarte lungi de configurat (4 ore) și necesită mult spațiu. Acestea sunt încă utilizate în mod obișnuit pentru aplicații specializate: pe clădirile militare care utilizează energie nucleară pentru o mai bună autonomie și pe transportatorii de gaze lichefiate unde este posibilă refolosirea gazului din buncăr.
Arderea internă: motorul cu ardere internăRezultatul muncii lui François Isaac de Rivaz , pe atunci al lui Rudolf Diesel , motorul cu ardere internă a ajuns să ajungă la puteri acceptabile pentru utilizarea sa navală, înainte de primul război mondial . Cu excepția celor mai mici bărci , acestea sunt de tip Diesel . Acestea permit producții mari și, prin urmare, un consum mai mic, dar necesită combustibili mai puțin grosiere, necesitând rafinarea produselor petroliere. Distingem:
După al doilea război mondial , aeronavele cu reactoare derivate din turbine cu gaz au fost adăugate pe listă. Acestea sunt în general turbine aeronautice „marinate” (adăugarea unui arbore și materiale rezistente la coroziune). Pot oferi o putere mare (până la 43 MW ) pentru o masă redusă (raport greutate / putere de aproximativ 1,2 până la 4 kg / kW) și permit, de asemenea, timpi de pornire extrem de scurți, de ordinul a două minute, de unde și aplicarea lor frecventă pe nave militare pentru accelerare rapidă. Din cauza unui debit de aer foarte mare, turbinele necesită conducte mari de admisie și evacuare a aerului. Acestea sunt, mai presus de toate, foarte scumpe de cumpărat și operat, deoarece consumă mai mult (250 până la 300 kg / MWh) și necesită combustibil de foarte bună calitate.
În anii 2000, nivelul maxim de sulf permis în păcura grea utilizată de navele civile era de 3,5 % . Organizația Internațională Maritimă a adoptat27 octombrie 2016 data de 1 st luna ianuarie în anul 2020pentru generalizarea pragului maxim de sulf la 0,5 % și în 2019 maximul tolerat este de 1,5 % . Marina a NATO de a impune un conținut de sulf de 0,1 % începând cu aproximativ 1980.
Navele cu energie nucleară utilizează unul sau mai multe reactoare nucleare. Căldura produsă este transmisă unui fluid de transfer de căldură utilizat pentru a genera vapori de apă acționând:
În lume există în jur de 400 de nave nucleare, covârșitor de militare, în special submarine , dar și portavioane și crucișătoare , precum și câteva nave civile ( spărgătoare de gheață ). În ceea ce privește încărcăturile, nuclearul a fost experimentat și în anii 1960 și 1970 (SUA NS Savannah , germanul Otto Hahn și japonezul Mutsu ), dar utilizarea lor nu s-a dovedit profitabilă, aceste experimente au fost întrerupte.
Investiția și costurile de funcționare ale propulsiei nucleare îl fac cu adevărat interesant pentru uz militar și în special pentru submarine. Această energie aduce:
Prin urmare, propulsia nucleară oferă submarinelor un avantaj decisiv, până la punctul în care putem califica submarinele convenționale drept simple submarine.
Energia mecanică fiind produsă, rămâne să o transmită propulsoarelor. Din punct de vedere istoric, metoda utilizată a fost cea mai simplă: un arbore motor care acționează direct elicea sau arborele roții. Cu toate acestea, satisfacerea mai multor nevoi ar putea duce la o anumită complexitate a transmisiei.
Cutie invertor / reductorAceste două sisteme sunt de obicei incluse în carcasa cutiei de viteze.
În acest caz, motoarele principale acționează ca generatoare de energie electrică (precum un grup electrogen dedicat aproape exclusiv propulsiei), iar arborii elicei sunt acționați de motoare electrice (uneori scufundate) . Dacă principiile generale ale transmisiei electrice au existat încă din jurul anului 1940, evoluțiile foarte recente în electronica de putere au dat naștere unei mari inovații tehnice. Fuziunea tehnică a podului cu acesta este recentă și s-a dezvoltat în jurul anului 1990. În general, transmisia electrică are din ce în ce mai multe avantaje cu dezvoltarea tehnică. Are un dispozitiv concurent care este rar folosit pe nave din motive de poluare, transmisia hidrostatică (sau cunoscută și sub numele de hidraulică) cu avantaje mecanice destul de asemănătoare cu transmisiile electrice care:
Propulsia electrică mai silențioasă este utilizată în faze de scufundare, datorită utilizării acumulatorilor pe submarine ( diesel-electrice ) încă din 1935 (în faza de snorkeling zgomotul este ridicat deoarece motoarele diesel reîncarcă bateriile) . Aceste submarine de război, încă în uz, au un arbore de elice. Motoarele lor electrice de propulsie sunt interne submarinului. Pe submarinele de explorare, există la fel de multe propulsoare electrice externe, cum ar fi POD-uri, precum există propulsoare interne cu motor electric. Pe submarinele nucleare există mai multe soluții: motorul de propulsie intern poate fi o turbină cu abur sau electrică și există și Poduri electrice externe.
Dispozitivul terminal de tracțiune transformă energia mecanică în forță motrice axială (în axa navei) . În aproape toate sistemele, forța de propulsie este exercitată în spatele navei. Într-adevăr, viteza, valurile tind să ridice arcul . Pe de altă parte, volumul de apă deplasat de forța corpului limitează turbulența apei sub jumătatea sa din pupă, reglând forțele de propulsie, scăzând vibrațiile și îmbunătățind astfel eficiența generală. În cel mai general caz, un arbore lung (sau chiar mai multe) , aproape paralel cu carena (înclinat înapoi între 4 și 10 °) face posibilă deplasarea sursei de energie mecanică primară (în interior) a dispozitivului de împingere. ( exterior) . Pe navele moderne, între acești doi poli mecanici (energie mecanică primară și energie mecanică de împingere) , inovațiile tehnologice se strecoară ( transmisii mecanice, electrice sau hidraulice) . Dacă, în general, dispozitivele terminale de acționare funcționează prin acțiune directă pe apă, ca și în aviație, o parte semnificativă a acțiunii poate fi creată și prin accelerația unei mase de fluid canalizate într-o duză ( reacție de acționare ) .
Roată cu paletăRoata cu palete este primul sistem de a fi fost folosite punct de vedere istoric, pentru râu sau navigația de coastă cu un motor cu aburi, iar pentru primele nave transatlantice. Dar eficiența scăzută a roții, dimensiunea laterală, vulnerabilitatea (navele de război) au dus la înlocuirea ei cu sisteme de elice . Acest propulsor nu mai este utilizat pentru mai mult de câteva bărci în apele interioare: feriboturile de pe lacul Geneva , de exemplu.
Elice scufundatăElicea este în prezent cel mai utilizat pe scară largă propulsor. De obicei plasat în spatele navei, acesta se rotește în jurul unei axe orizontale sau ușor înclinate. „Viteza totală” a lamelor (suma vitezei de rotație și a vitezei înainte) generează o împingere care deplasează nava înainte.
Capsula este definită în opoziție cu cea mai cazul general în care propulsorul este acționat de un lung arborele motor care trece prin coca de un lagăr etanș; lagărul arborelui de elice terminal simplu uneori completat de un al doilea exterior (elicea este în consolă la capătul arborelui motorului). „Podul” nu are un ax lung care traversează corpul. O protuberanță a corpului, numită pod pod, ține o elice foarte ferm, în timp ce un dispozitiv mecanic intern asigură energia de rotație care conduce elicea. Această nacelă este cel mai adesea pivotantă vertical pentru a servi la rotația eficientă a navei. Aceste păstăi pot transporta o așa-numită elice "tractor" situată în partea din față a nacelei sau o elice cu elice. Poate avea, de asemenea, două elice, montate în tandem, una în față și cealaltă în spate, sau două elice anti-rotative.
În cele din urmă, modul în care energia mecanică ajunge la arborele elicei distinge două tipuri foarte diferite de capace care se opun reciproc.
Direcţie; nacela poate fi fixată, dar este cel mai adesea orientabilă. Pentru păstăile fixe, o mică cârmă din spate a elicei oferă direcția navei. ""
Elice de suprafațăAcestea sunt elice semi-scufundate, cu un profil de lamă special pentru a evita „ventilația” profilului. În această configurație arborele de transmisie iese din traversă deasupra apei; nu există cârmă, orientarea laterală a arborelui elicei asigură manevrabilitatea (împingere vectorială). Acest sistem este utilizat pe bărci rapide (peste 30 de noduri).
Hidrojeturi sau jeturi de apă.Elica este plasată într-o conductă; apa este pompată sub corpul navei și expulzată la nivelul traversei, în aer liber. Orientarea jetului este controlată în plan lateral pentru a asigura direcția și în plan vertical pentru a obține inversarea direcției de împingere (inversare), înlocuind astfel cârma și inversorul.
Acest tip de propulsor a fost folosit pentru prima dată pe ambarcațiuni portuare mici, foarte manevrabile, sub marca Schottel. Este adesea folosit (de la 25 de noduri) la navele de pasageri și este cel mai utilizat sistem la viteză mare (peste 30 de noduri): iahturi rapide, feriboturi de mare viteză ( NGV ), hidrofoiluri pentru militari. Hidrojetele sunt montate pe vehicule de agrement, cum ar fi jet-ski-ul sau ambarcațiunile personale, în locul elicelor din motive de siguranță.
Propulsor de tip Voith-SchneiderEle sunt întotdeauna instalate în perechi . Se rotesc de-a lungul unei axe verticale, lamele acționând ca niște folii ; Abilitatea de a regla foarte rapid direcția fluxului de apă face acest sistem deosebit de interesant pentru remorchere, dar complexitatea acestuia îl compromite în beneficiul acționărilor Z sau a propulsoarelor azimutale.
Elice de manevrăÎn cele din urmă, propulsoarele transversale sau „împingătoarele” („ propulsorul de prora ” și „ propulsoarea de la pupa ” în engleză) sunt elice care acționează în direcția transversală într-un tunel care traversează corpul pentru a asista și facilita manevrele navelor, în special în navigația fluvială și în port abordari. Pot fi acționate de un motor diesel , mecanic sau de un sistem hidraulic sau de un sistem electric .
Desenul elicelor verticale și orizontale ale broaștei țestoase din 1775
Elice duble montate pe capsule
Elice și cârmă ale unei nave de marfă moderne
Elice pentru duze
Ambarcațiunile cu tiraj foarte puțin adânc ( hidrofoilele ) și cele care se deplasează deasupra apei (nave de ridicare, aeronave cu perne de aer și avioane cu efect de sol ) utilizează propulsoare aeriene:
Transportul animalelor a fost înlocuit treptat de tracțiune mecanică care poate fi produsă în diferite moduri:
Avantajul unei barje nepropulsate este de a permite o oarecare flexibilitate și mai multă profitabilitate în operațiuni: în timp ce barja efectuează operațiunile de încărcare și descărcare în port (ceea ce necesită timp), remorcherul poate fi eliberat pentru o altă mișcare. Sistemul de remorcare și barjare este încă utilizat pe lacuri și râuri mari și în largul mării pentru a aduce platforme petroliere la locul lor de funcționare. Unele nave sunt, de asemenea, transformate la sfârșitul vieții prin eliminarea mașinilor de propulsie, care au devenit învechite, și transformarea lor în barje mobile sau fixe; acesta este în special cazul anumitor cisterne care servesc ca unități de stocare plutitoare.
Propulsia magnetohidrodinamică se bazează pe forța Laplace : dacă un curent electric este trecut printr-un corp supus unui câmp magnetic , atunci acest corp este supus unei forțe . Cu toate acestea, apa de mare este un conductor . În teorie, este, prin urmare, suficient să puneți un magnet (mare) într-o navă, apoi să circulați un curent electric în apa supusă câmpului magnetic creat, să puneți apa în mișcare față de navă, adică - adică (simetric), pentru a pune vasul în mișcare față de apă. Acest lucru fără părți în mișcare, deci fără zgomot, fără vârtejuri și fără a fi nevoie să canalizați apa din interiorul vasului. Cârme sunt, de asemenea, inutile: trebuie doar să schimbați direcția curentului (sau a câmpului magnetic, dacă utilizați un electromagnet) pentru a inversa forța pe o parte a navei și, astfel, să o orientați. Curentul trebuie să fie în fază cu câmpul magnetic, deci continuu dacă magnetul este permanent și fix, dar, în plus, sunt posibile multe configurații (în special cu un electromagnet).
Cu toate acestea, dezavantajele nu sunt bine stăpânite: riscuri electrice și magnetice, electroliza apei de mare (pierderea eficienței electrice și riscul producerii de produse dăunătoare vieții și agresive pentru echipamente, cum ar fi clorul și hidrogenul. ), Nevoie de magneți puternici, slabi împingeri pe unitate de suprafață etc. Prin urmare, acest proces rămâne experimental. La începutul anilor 1990 , Mitsubishi a produs o barcă, Yamato 1 folosind propulsie MHD. A funcționat cu magneți supraconductori răciți cu heliu și ar putea călători cu 15 km / h .
Regizat pentru prima dată de Tom Clancy în romanul său de spion The Hunt for Red October , modul de propulsie MHD a fost mai târziu dezvăluit publicului larg în adaptarea filmului romanului In Pursuit of Red October în 1990.
Propulsie cu jet: pe un principiu similar cu cel al avionului cu reacție , bulele de gaz sunt evacuate într-o duză; dilatarea fluidului astfel cauzată produce o împingere înainte. Gazul poate fi produs fie prin aer comprimat, fie prin reacția chimică a apei cu un „combustibil” precum sodiu sau litiu . Rezultatele până în prezent nu sunt foarte încurajatoare din cauza eficienței foarte scăzute, a pericolului produselor folosite și a necesității de a porni un sistem auxiliar.
Propulsie prin înotătoare, clapare sau oscilație a hidrofilului. Experimentele pe submarine de curse cu putere umană dau rezultate din ce în ce mai satisfăcătoare.