I skipsbygging , fremdrift refererer til alle de systemer som tillater skip og båter til å bevege seg. Den utføres av en thruster drevet av en motor . Thrusteren kan være:
Et fremdriftssystem oppfyller flere mål:
En rekke flytende konstruksjoner har ikke et autonomt fremdriftssystem og krever ekstern inngrep for å bevege seg. Dette er tilfelle med elvelekter : de ble en gang trukket av hester som gikk langs bredden av en kanal, noen ganger av folk når båten var lett nok. For denne typen fremdrift ble hengetauet båret av en mast plassert omtrent i den første tredjedelen av båten; denne polen kalles arbouvier (av "tre").
Båter eller ferger ble også drevet av en god tur - omgang med hester eller okser om bord, de karusellaktive skovlhjulene eller en slepekjede .
I dette uttrykket betegner begrepet "fremdrift" faktisk motoren og ikke drivstoffet. Engelskmennene bruker det mer eksakte uttrykket " menneskedrevet ". Framdrift er menneskelig når en person bruker hendene (og føttene) som drivmiddel for å bevege seg gjennom vann eller over vann.
Denne typen menneskelig haling varte til generaliseringen av varmemotorer på elvebåter (i Frankrike ble det kalt "Halage à la bricole ").
Bruk av en stang eller en åre når dybden er tilstrekkelig grunne (bildet motsatt til høyre).
Muskelstyrke er sannsynligvis den første drivkraften som brukes på et skip, som på solbarken til Cheops med sitt rosystem.
PadleGenerelt består denne typen fremdrift i å aktivere en åre dannet av et håndtak og en nedsenket spade; toget kan enten være koblet til båten av en eller to åregafler , en åre eller seil mater eller holdes med begge hender. Handlingen som utføres består av en regelmessig frem og tilbake bevegelse, alternerende en spade skyvefase i vannet og en spade returfase ut av vannet, eller vekslende skyvefaser helt i vannet til skallet.
Spadenes virkning i vann er av to slag: med skallen fungerer spaden som en vinge , med en redusert innfallsvinkel som opprettholder en strøm festet til begge sider av spaden; med handlingen av roing skyver spaden vannet direkte mot baksiden av båten, i fullstendig uhekt strøm.
Applikasjoner:
Propellen kan betjenes med en spak eller en veivaksel: første autonome ubåter med muskelenergi, skilpadden , Nautilus av Robert Fulton eller takket være et kranksett, som på en sykkel. Sistnevnte system brukes av noen fartøyer med hydrofoil-type og spesielt av små strandside- båter av pedalbåttypen , og propellen blir da noen ganger erstattet av et skovlhjul.
Propell fra luftenPropellen drives av en pedal: Dekavitatorutstyr , hastighet 18,5 knop.
Kajakkpadler med padle
Olympisk roing , ved bruk av svømming
En pedalbåt ved Donkmeer- sjøen , Nederland
Seilfremdrift består i å bruke vindkraften (motoren) til å drive en seilbåt , ofte takket være seil (thrusteren). De mange kombinasjonene av former og oppsett av seil har gitt opphav til et bredt utvalg av rigger , men også skrogformer som er spesielt designet for denne typen fremdrift.
Som en spade på en åre kan et seil fungere på to måter:
For å bære kalesjen trenger du en hevet støtte (vanligvis en mast ), en måte å etablere kalesjen (halyards) og å orientere den ved forskjellige tau (ark). Avhengig av seiltypen, kan det være behov for ekstra bjelker , for eksempel en bom eller et kisbein for et storseil, en stolpe for en jib eller en spinnaker . De forskjellige formene på seil og måten de er satt opp på en eller flere master gjør det mulig å karakterisere riggene .
To typer rigger, i motsetning til deres geografiske opprinnelse, endte med å kombinere for å oppnå det ideelle seilet når det gjelder effektivitet og fleksibilitet:
Hvis de første seilbåtene bare hadde ett seil, gjør kombinasjonen av flere seil ved å fordele dem i høyde og lengde det mulig å forbedre båtens manøvrerbarhet og å tilpasse seilene til seilingsforholdene. Kombinasjonen av forskjellige former for seil på en enkelt båt skjer med brakkene ; fartøyene som ble bygget deretter viser stor oppfinnsomhet i riggen. For tiden er riggene forenklet igjen og integrerer bare to eller tre seil, ofte i syntetiske materialer.
På grunn av deres svært økonomiske og tillater autonomi ble seilene brukt på de fleste skipene selv etter at dampen kom, til slutten av XIX - tallet , hvor navigasjonsseiling nådde sin tekniske topp med firemastede og femmastede skip over 100 m lang, drevet av små mannskaper. Deretter førte behovet for hurtig og regelmessig drift, autonomien tillatt av Diesel, og arbeidsloven som innførte tre breddesider i stedet for to, til at den forsvant for krigsskip først og for handel deretter. De siste store handelsskipene, som hadde motstått langvarige tunge laster, som nitrater fra Chile, forsvant på få år på 1950-tallet (senking av Pamir i 1957). Noen nisje bruksområder forble frem til 1970-tallet. I dag er seil fortsatt brukes på små seilbåter og på visse luksusyachter , for nytelse (fritid) eller sport navigasjon .
Det har vært eksperimentelle systemer der vindenergien ble fanget opp av en propell fra luften (ganske lik i egenskapene til en vindturbinpropell).
Et "gratis" seil blir ikke satt på en rigg; det er en fleksibel vinge som er koblet til båten med en strekkabel. Formen (paraglider-typen) skal gi den den aerodynamiske stabiliteten som er nødvendig for å holde den i luften. En trekkraft kite er under utvikling av det tyske firmaet SkySails for å gi drivstoffbesparelse som kan variere fra 10 til 30%. Selve testene fant sted idesember 2007på den lasthåndtering typen Beluga Skysails (132 meter lang, 9,770 tonn). Flaten på fløyen som flyr mellom 100 og 300 meters høyde er 160 m 2 , og trekkraften er i størrelsesorden 5 tonn. Fartøyets hastighet er 15,5 knop eller et Froude-tall på 0,22. Ved denne hastigheten er den relative motstanden i størrelsesorden 0.0025, noe som gir en motstand (motstand mot bevegelse fremover) i størrelsesorden 25 tonn. Trekkraften til seilet er da verdt 20% av motstanden.
Begrensningene til systemet er en blind flekk på 50 ° på hver side av retningen som vinden kommer fra og fartøyets hastighet er mindre enn 16 knop.
Motorisert fremdrift består i å betjene en thruster ved hjelp av en motor. Dette systemet ble innført ved begynnelsen av XIX th århundre med dampmaskinen aktivering av et pumpehjul , den energi som tilføres ved forbrenning av kull . De første verkene og praktiske bruksområdene ble utført av amerikaneren Robert Fulton i 1803 . Siden har andre, mer effektive systemer blitt opprettet.
I enhver motorisert fremdrift kan vi skille mellom fire hovedfunksjoner:
Fossile drivstoff (kull, tung fyringsolje, diesel, bensin), kjernekraft, elektrisitet, (muskelenergi). Oppbevaring om bord.
Motoren er ansvarlig for å transformere drivstoffets primærenergi til mekanisk og / eller elektrisk energi , noen ganger hydraulisk. De to hovedkategoriene er forbrenningsmotorer (kjeler og maskiner eller dampturbiner) og forbrenningsmotorer ( dieselmotorer , bensinmotorer og gassturbiner ).
Ekstern forbrenning: dampDette systemet er det eldste. Den er preget av sin inndeling i to deler: kjelen produserer energi ved å varme opp vann til damp ved hjelp av drivstoff; motoren forvandler denne kaloriene til mekanisk arbeid.
Kjelene består av et forseglet legeme, krysset av varmerør der væsken som skal varmes opp sirkulerer, som omgir en ildsted hvor forbrenning foregår . De første modellene som ble opprettet, er ganske enkle på grunn av begrensningene i datidens metallurgi , varmerørene er laget av kobber og det indre trykket er veldig lavt. Bruken av stål vil deretter gjøre det mulig å øke effektiviteten veldig sterkt ved å øke trykket i spill og gjenvinne det meste av energien som er skapt, ved hjelp av meget raffinerte teknikker. Ved slutten av den XIX th århundre , er kull begynner å vike til den olje som brennstoff, som reduserer det arbeid som kreves for å betjene, noe som eliminerer hordene av driverne at drevet kjeler spade og forenkle lagring av drivstoff, som nå er flytende . Storhetstiden for denne teknologien kom på 1920-tallet . Etter andre verdenskrig ble de definitivt fortrengt på grunn av lavere effektivitet, men deres funksjon av dampproduksjon ble da funnet i atomreaktorer som har fordelen av å bruke et nesten uuttømmelig drivstoff; se artikkelen Atomenergi .
Motoren kan være en dampmaskin eller en dampturbin :
Eksterne forbrenningssystemer gjør det mulig å oppnå høy effekt (70 MW) med drivstoff av lav kvalitet, men med høyt forbruk (380 kg / MWh) og lav termisk effektivitet. De er også veldig lange å sette opp (4 timer) og krever mye plass. De brukes fortsatt vanligvis til spesialiserte applikasjoner: på militære bygninger som bruker kjernekraft for bedre autonomi, og på flytende gassbærere der det er mulig å gjenbruke gass fra bunkerne.
Forbrenning: forbrenningsmotorenSom et resultat av arbeidet til François Isaac de Rivaz , da Rudolf Diesel , endte forbrenningsmotoren med å oppnå akseptable krefter for sin marine bruk, før første verdenskrig . Bortsett fra de minste båtene , er de av typen Diesel . De gir høye avlinger, og dermed lavere forbruk, men krever mindre grove drivstoff, noe som krever raffinering av petroleumsprodukter. Vi skiller mellom:
Etter andre verdenskrig , gassturbiner som stammer fra fly motorer ble lagt til listen. Disse er vanligvis ”mariniserte” luftfarts turbiner (tilsetning av aksel og korrosjonsbestandige materialer). De kan gi høy effekt (opptil 43 MW ) for en lav masse (vekt / effektforhold på ca. 1,2 til 4 kg / kW) og tillater også ekstremt korte oppstartstider, i størrelsesorden to minutter, derav deres hyppige anvendelse på militærskip for rask akselerasjon. På grunn av en veldig høy luftstrøm, krever turbiner store inntaks- og avtrekkskanaler. De er fremfor alt veldig dyre å kjøpe og bruke fordi de bruker mer (250 til 300 kg / MWh) og krever drivstoff av meget god kvalitet.
På 2000-tallet var det maksimale svovelnivået i tung fyringsolje som ble brukt av sivile skip, 3,5 % . Den internasjonale maritime organisasjonen vedtok27. oktober 2016 datoen for 1 st januar 2020for generalisering av den maksimale svovelterskelen på 0,5 % og i 2019 er den maksimale tolererte 1,5 % . Den marineblå av NATO til å ilegge et svovelinnhold på 0,1 % siden rundt 1980.
Kjernedrevne fartøy bruker en eller flere atomreaktorer. Den produserte varmen overføres til en varmeoverføringsfluid som brukes til å generere vanndampaktivering:
Rundt 400 atomdrevne skip eksisterer i verden, overveldende militære, spesielt ubåter , men også hangarskip og kryssere , og noen få sivile skip ( isbrytere ). Av last Nuclear ble også opplevd på 1960- og 1970-tallet (den amerikanske NS Savannah , tyske Otto Hahn og japanske Mutsu ), men bruken av dem har ikke vist seg å være lønnsom, disse eksperimentene er avviklet.
Investerings- og driftskostnadene ved atomfremdrift gjør det bare virkelig interessant for militær bruk og spesielt for ubåter. Denne energien bringer:
Kjernedrift gir derfor ubåter en avgjørende fordel, til det punktet at vi kan kvalifisere konvensjonelle ubåter som enkle ubåter.
Den mekaniske energien som produseres gjenstår å overføre den til thrusterne. Historisk var metoden som ble brukt den enkleste: en motoraksel som direkte kjørte propellen eller hjulakselen. Imidlertid kan tilfredsstillelsen av flere behov føre til en viss overføringskompleksitet.
Inverter / reduksjonsboksDisse to systemene er vanligvis inkludert i girkassehuset.
I dette tilfellet fungerer hovedmotorene som strømgeneratorer (som et generatorsett som da er utelukkende dedikert til fremdrift), og propellakslene drives av elektriske motorer (noen ganger nedsenket) . Hvis de generelle prinsippene for elektrisk overføring har eksistert siden rundt 1940, har den siste utviklingen innen kraftelektronikk gitt mye teknisk innovasjon. Den tekniske fusjonen av poden med den er nylig og utviklet rundt 1990. Samlet sett har den elektriske overføringen flere og flere fordeler med teknisk utvikling. Den har en konkurrerende enhet som sjelden brukes på skip av forurensningsårsaker, den hydrostatiske overføringen (eller også kjent som hydraulisk) med mekaniske fordeler som er ganske lik de elektriske transmisjonene som:
Den roligere elektriske fremdriften brukes i dykkerfaser, takket være bruken av akkumulatorer på ubåter ( dieselelektriske ) siden 1935 (i snorkelfasen er støyen høy fordi dieselmotorer lader batteriene) . Disse krigsubåtene, fremdeles i bruk, har propellaksel. Drivmotoren deres er intern i ubåten. På letebåter er det like mange eksterne elektriske thrustere, for eksempel POD, som det er interne elektriske motor thrustere. På atomubåter er det flere løsninger: den interne fremdriftsmotoren kan være en damp- eller elektrisk turbin og eksterne elektriske pods eksisterer også.
Skyvterminalenheten forvandler mekanisk energi til aksial motivkraft (i skipets akse) . I nesten alle systemer utøves fremdriftskraften bak på fartøyet. Faktisk, hastigheten, bølgene har en tendens til å heve buen . På den annen side begrenser vannvolumet som er forskjøvet av skrovet, turbulensen i vannet under den bakre halvdelen, regulerer fremdriftskreftene, reduserer vibrasjonene og forbedrer dermed den totale effektiviteten. I det mest generelle tilfellet gjør en lang aksel (eller til og med flere) , nesten parallell med skroget (tilbøyelig bakover mellom 4 og 10 °) det mulig å forskyve kilden til den primære mekaniske energien (innsiden) av skyveinnretningen. ( eksteriør) . Mellom disse to mekaniske stolpene (primærmekanisk energi og mekanisk skyvekraft) kryper teknologiske innovasjoner inn på moderne skip ( mekaniske, elektriske eller hydrauliske overføringer ) . Hvis generelt terminalanordningene fungerer ved direkte handling på vannet, som i luftfart, kan en betydelig del av skyvet også opprettes ved akselerasjon av en fluidmasse som kanaliseres i en dyse ( reaksjonskraft ) .
PadlehjulDen fartshjul er det første systemet som har blitt brukt historisk, for elv eller kystfart med en dampmaskin, og for de første transatlantiske skipene. Men hjulets lave effektivitet, sidestørrelse, sårbarhet (krigsskip) førte til at det ble erstattet av propellanlegg . Dette drivstoffet brukes ikke lenger til mer enn noen få båter i indre farvann: fergene på Genfersjøen , for eksempel.
Senket propellDen propell er i dag den mest brukte driv. Vanligvis plassert på baksiden av skipet, roterer det rundt en horisontal eller litt skrå akse. Knivenes “totale hastighet” (summen av rotasjonshastigheten og fremoverhastigheten) genererer et skyvekraft som beveger fartøyet fremover.
Den pod er definert i opposisjon til det mest generelle tilfellet hvor propellen drives av en lang motoraksel som passerer gjennom skroget ved hjelp av en forseglet lager; enkel terminal propellakselen bærende noen ganger utført ved en andre ytre (propellen er utkraget ved enden av motorakselen). "Pod" har ikke en lang aksel som krysser skroget. En fremspring i skroget kalt en pod pod holder en propell veldig fast mens en intern mekanisk enhet gir rotasjonsenergien som driver propellen. Denne nacellen svinger oftest vertikalt for å tjene for effektiv rotasjon av skipet. Disse belgene kan bære en såkalt "traktor" propell plassert på forsiden av nacellen, eller en propellpropell. Den kan også ha to propeller, montert i tandem, den ene foran og den andre bak, eller to kontraroterende propeller.
Til slutt skiller måten mekanisk energi når frem til propellakselen, to veldig forskjellige typer belger som står imot hverandre.
Retning; nacellen kan fikses, men den er oftest orienterbar. For faste bøyler gir et lite ror akter om propellen retning til fartøyet. ""
Overflate propellerDette er halvt nedsenkede propeller, med en bestemt bladprofil for å unngå "ventilasjon" av profilen. I denne konfigurasjonen kommer overføringsakselen ut av akterspeilet over vannet; det er ikke noe ror, det er den laterale orienteringen av propellakselen som sikrer manøvrerbarhet (vektorkraft). Dette systemet brukes på hurtigbåter (over 30 knop).
Hydrojets eller vannstråler.Propellen er plassert i en kanal; vannet pumpes under skroget og drives ut på akterspeilet, ut i det fri. Orienteringen av strålen styres i sideplanet for å sikre retningen og i vertikalplanet for å oppnå reversering av skyveretningen (revers), og erstatter dermed roret og reverseren.
Denne typen thruster ble først brukt på små, veldig manøvrerbare havnefartøyer under merkevaren Schottel. Det er ofte brukt (fra 25 knop) på passasjerskip, og det er den mest brukte systemet i høy hastighet (over 30 knop): raske båter , høy hastighet ferger ( NGV ), hydrofoiler for militære. Hydrojetene er montert på fritidsbiler som vannscooter eller vannscooter i stedet for propeller av sikkerhetsgrunner.
Voith-Schneider-thrusterDe installeres alltid parvis . De roterer langs en vertikal akse, bladene virker som folier ; Evnen til å raskt justere vannstrømningsretningen gjør dette systemet spesielt interessant for slepebåter, men dets kompleksitet forstyrrer det til fordel for Z-stasjoner , eller azimuth-thrustere.
Manøvrerende propellerTil slutt er tverrgående thrustere eller "pushers" (" baugpropeller " og " akterpropell " på engelsk) propeller som virker i tverrretningen i en tunnel som krysser skroget for å hjelpe og lette manøvreringen av skip, spesielt i elvenavigering og i havn nærmer seg. De kan drives av en dieselmotor , mekanisk eller av et hydraulisk system , eller av et elektrisk system .
Tegning av de vertikale og horisontale propellene til Turtle of 1775
Dobbel propeller montert på belger
Propell og ror på et moderne lasteskip
Dyse propell
Svært grunne trekkfartøyer ( hydrofoils ) og de som beveger seg over vann (løftefartøyer, luftpute svevefartøy og bakkeeffektplan ) bruker luftpropeller:
Dyrehold har gradvis blitt erstattet av mekanisk trekkraft som kan produseres på forskjellige måter:
Fordelen med en ikke-propell lekter er å tillate litt fleksibilitet og mer lønnsomhet i operasjonene: mens lekteren utfører laste- og losseoperasjoner i havnen (som tar tid), kan slepebåten slippes for et nytt trekk. Slepebåtsystemet brukes fremdeles på innsjøer og store elver og på åpent hav for å bringe oljeplattformer til sitt driftssted. Noen skip transformeres også på slutten av livet ved å fjerne fremdriftsmaskineriet, som er blitt foreldet, og konvertere dem til mobile eller faste lektere; dette er spesielt tilfelle for visse tankskip som fungerer som flytende lagringsenheter.
Magnetohydrodynamisk fremdrift er basert på Laplace-kraften : hvis en elektrisk strøm føres gjennom et legeme utsatt for et magnetfelt , blir dette legemet utsatt for en kraft . Imidlertid er sjøvann en leder . I teorien er det derfor tilstrekkelig å sette en (stor) magnet i et skip, og deretter sirkulere en elektrisk strøm i vannet som er utsatt for det magnetfeltet som er opprettet, å sette vannet i bevegelse i forhold til skipet, det vil si - dvs. (symmetrisk) for å sette fartøyet i bevegelse i forhold til vannet. Dette uten bevegelige deler, derfor uten støy, uten virvler, og uten behov for å kanalisere vannet inne i fartøyet. Ror er også overflødige: du trenger bare å endre strømretningen (eller magnetfeltet, hvis du bruker en elektromagnet) for å reversere kraften på den ene siden av skipet og dermed orientere den. Strømmen må være i fase med magnetfeltet, derfor kontinuerlig hvis magneten er permanent og fast, men dessuten er mange konfigurasjoner mulige (spesielt med en elektromagnet).
Ulempene er imidlertid ikke mestret: elektriske og magnetiske risikoer, elektrolyse av sjøvann (tap av elektrisk effektivitet og risiko for produksjon av produkter som er skadelige for livet og aggressivt for utstyr, som klor og hydrogen. ), Behov for sterke magneter, svake skyvekrefter per arealenhet osv. Denne prosessen forblir derfor eksperimentell. På begynnelsen av 1990-tallet , Mitsubishi produsert en båt, Yamato en hjelp MHD fremdrift. Den fungerte ved hjelp av heliumkjølte superledende magneter og kunne kjøre i 15 km / t .
Først regissert av Tom Clancy i spionromanen The Hunt for Red October , ble MHD fremdriftsmodus senere avduket for allmennheten i romanens filmatisering In Pursuit of Red October i 1990.
Jetfremdrift: på et prinsipp som ligner på jetplanet , blir gassbobler kastet ut i en dyse; væskeutvidelsen forårsaket således frembringer et fremadstøt. Gassen kan produseres enten ved komprimert luft eller ved kjemisk reaksjon av vann med et "drivstoff" som natrium eller litium . Resultatene til dags dato er ikke veldig oppmuntrende på grunn av svært lav effektivitet, faren for produktene som brukes, og behovet for å starte et hjelpesystem.
Framdrift ved finn, klapping eller svingning av hydrofoil. Eksperimenter på menneskedrevne racerbåter gir i økende grad tilfredsstillende resultater.