Machines électriques intégrées à des hélices marines

 Ensembles hélice / machine électrique dédiés à la propulsion navale 

La propulsion navale : généralités et technologies traditionnelles 

Avant d’aborder les technologies Rim Driven proprement dites, nous décrivons dans ce premier paragraphe les principales associations hélice / machine électrique traditionnellement utilisées pour la propulsion navale. En premier lieu, quelques généralités sur la propulsion des navires et engins d’exploration sont rappelées.

Généralités sur la propulsion navale

➤ Bref historique
Il serait aujourd’hui difficile d’imaginer de gros navires de commerce ou bien de guerre propulsés par la seule force du vent ou des muscles. Ce fut pourtant le cas de tous les navires pendant de très nombreux siècles, quelles que soient leur taille ou leur fonction. Sur les fleuves, les barges étaient halées par des animaux le long des berges des canaux. En mer, les galères partaient au combat propulsées par la force des hommes. Les clippers, impressionnants navires de commerce, filaient à grande vitesse à la seule force du vent. Au début du 19ème siècle, la propulsion des bateaux évolua radicalement avec l’apparition progressive des machines à vapeur qui permirent l’entraînement de roues et hélices. Ces machines fonctionnaient au charbon ou au mazout afin de produire de la vapeur qui entrainait une turbine. Aujourd’hui, seuls les navires à propulsion nucléaire utilisent encore de telles turbines. En grande majorité, les bateaux tirent aujourd’hui leur énergie de moteurs diesel ou à essence ou bien encore de turbines à gaz. Certains navires, tels que les frégates militaires, peuvent combiner des moteurs diesel avec une turbine à gaz. Dans d’autres applications, généralement de moyenne ou forte puissance, le groupe diesel est associé à un alternateur électrique. Rappelons cependant que l’électricité n’est pas une énergie primaire comme le sont les énergies fossile et nucléaire : elle ne constitue qu’un moyen indirect de transmettre l’énergie mécanique produite par les machines thermiques aux hélices. Il est important de rappeler que le développement de la propulsion moderne fut étroitement lié à celui des hélices marines telles que nous les connaissons aujourd’hui. Contrairement à ce que l’on peut penser, les hélices ne s’imposèrent qu’à partir de la deuxième moitié du 19ème siècle. Avant cela, le seul moyen de conversion de la force mécanique des machines thermiques en une poussée hydrodynamique était la roue à aube. Les axes de recherche et développement dans le domaine de la propulsion navale restent aujourd’hui nombreux : aide à la propulsion par des forces magnétohydrodynamiques, propulseurs Rim-Driven, machines à bobinages supraconducteurs ou, plus étonnant, turbo voiles et cerf-volant de traction.

➤ Principaux besoins
A notre connaissance, il existe une telle diversité de bateaux qu’aucun classement officiel n’a jamais été établi. Il est cependant habituel de trouver dans la littérature des classements en fonction de l’usage fait du navire . Une étude de l’organisme Lloyds Register datée de 1999 [Llo01] donne un aperçu de la capacité de transport des principaux types de navires dans le paysage maritime mondial. En termes de tonnage brut, caractéristique de la capacité de transport d’un navire, les pétroliers et vraquiers représentent à eux deux plus de la moitié de la capacité mondiale (56%). Viennent ensuite les cargos polyvalents (10%), porte containers (10%), rouliers Ro Ro (5%) et navires de passagers (4%). Le reste du volume, est partagé entre les autres navires tels que chimiquiers, gaziers ou bateaux de pêche. Logiquement, les navires spécialisés ne représentent qu’une part minime de ce volume. Notons que ce classement ne prend pas en compte les navires militaires.

La propulsion concerne d’autres applications qu’il ne faut pas oublier de citer. Ainsi, afin d’avoir une vue exhaustive sur ce sujet, nous n’oublierons pas de considérer les propulsions d’étrave pour la manœuvre des navires de surface, les propulsions de sous-marins militaires et scientifiques, d’engins autonomes d’exploration AUV, de plates-formes off-shore ou encore de torpilles.

Qu’est-ce qu’un bon système de propulsion ?

A partir des lectures faites des ouvrages traitant de la propulsion navale, il a été possible de dresser une liste des principaux critères mis en avant par les concepteurs pour évaluer la bonne qualité d’un système propulsif. Ces critères sont bien entendu à nuancer en fonction des besoins.
– Compacité et souplesse d’intégration : frégates, navires de croisière, etc.
– Discrétion acoustique et vibratoire : sous-marins, navires de recherche et de croisière.
– Fiabilité et possibilité de fonctionnement en mode dégradé : chimiquiers, navires militaires, etc.
– Souplesse de fonctionnement (vitesse variable, freinage d’urgence, etc) : tout type de navire.
– Bon rendement global et émissions réduites (CO2, NOx, SOx) : tout type de navire.
– Coûts de mise en œuvre réduits : tout type de navire.

Les Hélices

Historique
D’après la publication de P. Augustin Normand [Aug01], l’invention de l’hélice propulsive est attribuée, en Angleterre, à F. Petit Smith et J. Ericsson et, en France, à F. Sauvage qui préconise l’utilisation d’un propulseur basé sur le principe de la vis d’Archimède. En réalité, la vis d’Archimède est utilisée depuis l’antiquité mais pour des besoins de pompage, puis de récupération d’énergie. A la fin du 18ème siècle puis au début du 19ème siècle, le principe d’une propulsion par une vis inspire de nombreux inventeurs avant que F. Sauvage ne dépose un brevet sur ce principe en 1832 et F. Petit Smith fasse de même en 1834 (figure 1.1.A de droite). Les principaux gouvernements d’Europe et Outre Atlantique sont alors rapidement convaincus par le potentiel des hélices propulsives, notamment à l’occasion d’essais comparatifs avec des navires propulsés par des roues à aube . L’adoption de la propulsion à hélice se fait alors rapidement vers 1840-1850 marquant à cette occasion la fin progressive de la roue à aube.

Il faut comprendre que l’hélice fut accueillie au départ avec un certain scepticisme. Le principe d’une roue à aube, qui pousse l’eau et permet au navire d’avancer, était en effet bien compris de tous. Par contre, le principe de fonctionnement d’une hélice était bien moins intuitif pour la plupart des gens. Ainsi, dans la seconde moitié du 19ème siècle, de nombreux chercheurs travaillèrent sur ce sujet dans le but de maîtriser la théorie de fonctionnement de l’hélice. Ils expérimentèrent également de nombreuses géométries d’hélice afin de comprendre quelle forme optimale devait être utilisée.

Table des matières

INTRODUCTION
1 ÉTAT DE L’ART ET MISE EN ÉVIDENCE D’UNE PROBLÉMATIQUE
1.1 Ensembles hélice / machine électrique dédiés à la propulsion navale
1.1.1 La propulsion navale : généralités et technologies traditionnelles
1.1.2 La technologie à entraînement circonférentiel « Rim Driven »
1.1.3 Conclusion
1.2 Ensembles hélice / machine électrique dédiés à la génération d’électricité
1.2.1 L’énergie de l’eau : généralités
1.2.2 Les technologies hélice / machine électrique
1.2.3 Conclusion
2 MODÉLISATION MULTI PHYSIQUE D’UN ENSEMBLE HÉLICE / MACHINE A AIMANTS PERMANENTS ET ENTREFER IMMERGÉ
2.1 Introduction
2.1.1 Principe et caractère multi-physique de la modélisation
2.1.2 Structure et interaction des modèles
2.2 Modélisation hydrodynamique
2.2.1 Introduction
2.2.2 Principe de fonctionnement d’une hélice de propulsion
2.2.3 Principe de fonctionnement d’une hélice d’hydrolienne
2.2.4 Modélisation d’une hélice de propulsion à partir d’abaques
2.2.5 Modélisation d’une hélice d’hydrolienne à partir d’une discrétisation des pâles : méthode « BEM »
2.2.6 Modélisation du navire – cas de la propulsion
2.2.7 Modélisation des courants de marée – cas des hydroliennes
2.2.8 Prise en compte des effets visqueux dans un entrefer immergé
2.3 Modélisation électromagnétique
2.3.1 Introduction
2.3.2 Modèle de base
2.3.3 Contraintes de dimensionnement
2.3.4 Structure du modèle
2.3.5 Limites du modèle et adaptation aux spécificités des machines RD
2.4 Modélisation thermique
2.4.1 Principe
2.4.2 Rappels sur les transferts thermiques
2.4.3 Schémas en π
2.4.4 Calcul des résistances thermiques
2.4.5 Quantification des phénomènes et prise en compte des échanges encoche/dent
2.4.6 Principaux paramètres influençant l’élévation de température
3 CONCEPTION MULTI PHYSIQUE D’ENSEMBLES HÉLICE / MACHINE A AIMANTS PERMANENTS ÉTUDES DE CAS
3.1 Introduction
3.1.1 Une approche multi-physique
3.1.2 Recherche d’une solution optimale
3.2 Dimensionnement de propulseurs
3.2.1 Cahiers des charges
3.2.2 Hélices considérées
3.2.3 Entrefers immergé et non immergé
3.2.4 Adaptation du modèle à une structure POD
3.2.5 Propulseur à entrefer non immergé de moyenne puissance : optimisation du rendement global par une approche séquentielle et tendances de dimensionnement
3.2.6 Propulseur à entrefer non immergé de forte puissance : optimisation du rendement global par une approche séquentielle puis couplée
3.2.7 Propulseur à entrefer non immergé de forte puissance : optimisation de la masse tournante par une approche séquentielle puis couplée
3.2.8 Propulseur à entrefer non immergé de petite puissance : optimisation de la masse tournante par une approche séquentielle puis couplée
3.2.9 Propulseur RD à entrefer immergé de forte puissance : optimisation du rendement
3.3 Dimensionnement d’hydroliennes et hydro-générateurs
3.3.1 Cahiers des charges étudiés
3.3.2 Hélices considérées : profils, lois de vrillage et de corde
3.3.3 Entrefers immergé et non immergé 162
3.3.4 Effets électromagnétiques d’extrémité
3.3.5 Hydro générateur RD de petit diamètre : optimisation du rendement global par une approche séquentielle puis couplée.
3.3.6 Hydrolienne RD de grand diamètre : optimisation du rendement global par une approche séquentielle puis couplée.
3.4 Conception et fabrication d’un prototype RD à entrefer immergé
3.4.1 Similitudes
3.4.2 Conception d’une maquette
3.4.3 Solution retenue et débuts de fabrication
3.4.4 Perspectives
4 CONCLUSION

Télécharger le rapport complet