Dispositif de commande pour l'obtention des pas variable constant et pas variable sinusoidal d'une hélice, pour la propulsion et la gouverne d'un navire

Abstract

 Dispositif de commande pour l'obtention des pas variable constant et pas variable sinusoïdal d'une hélice, pour la propulsion et la gouverne d'un navire.

- L'invention concerne les dispositifs agissant sur les hélices du type à pas variable. Un mécanisme de commande B solidaire d'un arbre porte-hélice A dans lequel passent les axes N, commande l'orientation des pales.

- Un arbre 0 pouvant se mouvoir, permet d'obtenir les différents pas. Il est logé dans un bloc-cylindre G qui peut entrer en rotation.

-L'arbre 0 se déplace en translation ou latéralement sous l'impulsion de deux pistons Z et M.

- Les rotations des axes N sont alors égales ou inégales entr'elles et on obtient alors le pas constant ou le pas sinusoïdal de l'hélice.

- Le navire comporte deux dispositifs situés dans deux appendices à babord et à tribord, sous la carène au premier tiers avant.

- En fonction des différents pas, on obtient des résultantes de propulsion, de gouverne ou de déplacement latéral du navire.

- Dans son application, l'invention concerne les navires devant manoeuvrer avec précision.

Description

[0001] La présente invention concerne les hélices du type à pas variable qui permettent d'obtenir les variations de puissance transmises tout en aseu- rant un changement de marcih du navire.

[0002] Dans les dispositifs de- ce genre connus j'uequ'à paésent, on ne peut que changer le pas en agissant d'une manière égale sur toutes les pales. Le navire est alors équipé d'un gouvernail lui permettant d'effectuer les évolutions désirées,, mais toutefois limitées. Certains déplacements ne peuvent être obtenus.

[0003] L'hélice, selon l'invention, permet de résoudre ces problèmes. Elle est associée à un dispositif de commande permettant d'obtenir le pas variable et le pas airrusoldal autorisant toutes les évolutions du navire.

[0004] Le dispositif a l'apparence extérieure de la fig. I. La volant B est solidaire de l'arbre porte-hélice A. Il est supporte par deux paliers J et K Le palier J comporte un alesage D de fort diamètre permettant à l'arbre 0 de se mouvoir latéralement dans le volant. L'arbre 0 est supporté par le bloc-cylindre G, et est attelé à un piatom Z.

[0005] Le bloc-cylindre G est supporté par un axe implanté dans les corps de paliers I et J, sur lequel il est libre en rotation mais fixe en translation Il subit un mouvement de semi-rotation lorsqu'il est sollicité parole piston N, mû par une pression d'huile. Cette distribution de pression est régulée par un tiroir L qui est sollicité par la commande E. Le tiroir L est asservi au déplacement du piston M. Le bloc-cylindre G subit une rotation donnant un déplacement angulaire fonction du déplacement du piston M. La tige de piston C et sa bielle sont ancrées sur le bloc-cylindre G, par une chape articulée. Ce déplacement du bloc-cylintre G permet d'obtenir le pas sinusoidal de l'hélice Q.

[0006] Le déplacement en translation de l'arbre 0 est obtenu par pression hydraulique sur le piston Z. Ce déplacement est régulé de la même manière que pour le piston M. Les déplacements en translation et en excentricité de l'arbre 0 sont à la base du fonctionnement du syatème. Les pas de l'hélice sont fonction de l'amplitude de ces déplacements. L'arbre 0 (fig. 5) supporte une bague 20 sur laquelle sont implantées des rotules 32 supportant des leviers 26. La bague 20 est montée libre en rotation meis fixe en translation. Les rotules sont calées à 90° les unes par rapport aux autres.

[0007] Entre les deux flasques du volant B (fig. 5) sont montés quatre groupes de deux cadres ( repr.22). Ces quatre groupes de deux cadres sont calés à 90 et en concordance avec les rotules 32.

[0008] Chaque groupe de cadres est monté comme sur la fig.7. Le cadre mâle ₂₉ est emboité à frottement doux dans le cadre femelle ₂₂. Ils sont liés entr'eux par les axes 30. Un de ces axes comporte un pignon conique (₂₇) situé sur une des faces internes du cadre mâle (29).

[0009] Les axes (30) sont solidaires du cadre femelle (₂2), mais ils sont libres en rotation dans le cadre mâle (29). Un deuxième pignon (28) forme couple orthogonal avec le pignon (27). Le pignon (28) est claveté sur l'axe (33) qui passe au travers du cadre mâle (29) dans une douille. L,'axe (33) est libre en rotation dans le cadre mâle (29). L'autre axe (33) opposé au premier est fixé sur le cadre mâle (29). Les axes (33) viennent s'implanter dans des coussinets, situés sur les flasques du volant (B), tel que sur la fig. 6; ils sont libres en rotation dans ces coussinets. L'axe (33) qui est solidaire du pignon (28), supporte un pignon droit (2I) qui lui est solidaire par clavetage. Ce pignon à denture droite vient engrener avec un secteur de pignon droit, qui est lui-même claveté sur un axe (N). Cet axe (N) va au moyeu de l'hélice au travers de l'arbre porte- hêlice (A). Le couple de pignons droits a un rapport multiplicateur égal à deux. (Un seul groupe de cadres et une seule rotule sont sur la fig.6, ceci pour la clarté du dessin).

[0010] Dans le moyeu de l'hélice, nous avons les pignons coniques clavetés sur les axes (N) fig.8 qui sont couplés orthogonalement aux pignons coniques des pieds de pales (34). Le cadre femelle (22) fig.5, comporte un tube guide (37). Ce tube se trouve dans un plan orthogonal à celui où sont situés les axes supportant le cadre mâle (29) fig.6. Les leviers de roitu- les ₂6, viennent se glisser à frottement doux dans les tubes guide (37). Une liaison non rigide est ainsi assurée entre le support de rotules (₂0) et les cadres (22). La bague support de rotules comporte un bras d'en- trainement (23) qui est disposé suivant la bissectrice formée par l'angle de calage de deux rotules. Ce bras d'entrainement vient se glinser dans l'alésage d'un axe (25) coulissant dans deux douilles situées dans les flasques du volant (B). Le bras (₂₃) est coulissant dans l'axe (25) lorsque le volant tourne et que l'arbre 0 est excentré. Le bras (23) en- traine le support de rotules lorsque le volant tourne.

[0011] Lorsque le support de rotules (20) vient de 0 en O'fig.9, nous avons une légère rotation du support, le point (a) vient en (b), nous avons la nouvelle position du support de rotules qui a tourné d'un certain angle. Les leviers de rotules occupent une ponition telle que celle de la, fig.9. Pour chaque rotation de 90) du bras d,'entrainement (23) les différentes positions du support de rotules sont données par les fig. IO et II at I2. On revient ensuite à, la position de la fig.9.

[0012] Nous constatons que les inclinaisons des leviers de rotules sont variables lors de la rotation du volant (B). Ces inclinaisons sont toujours positives dans le sens entretenant le fonctionnement du dispositif. Le pas cyclique est aninsi obtenu, il se reproduit suivant une sinusoide pour chaque pale, Nous pouvons tracer la sinusoioe de chaque pale, en artant des poimts C,d, e, f, de la fig. 9 . L'axe des abcisses matérialise alors le pas variable constant obtenu en prppulsion qui est une constante pour un cran déterminé. Les sinusoides montrent alors les variations de pas, par rapport à cette constante. Les points de départ du tracé des sinusvi- des sont positifs ou négatifs en fonction des rotations positives ou négatives imprimées par les inclinaisons des leviers 26 sur les axes (33) fig.9, supportant les pignons 28.

[0013] La figure 5, montre la disposition des pignons (27) dans le dispositif de commande de l'hélice tribord. En effet, en déplaçant l'arbre (0) en translation vers l'avant du navire suivant la flèche (f) fig. 7, les pignons (28) vont tourner dans le sens (f'). Les axes (N) vont tourner dans le sens (f4) fig.8). Les axes 34 des pieds de pales vont tourner dans le sens (f5). L'hélice tourne suivant la flèche (f6). Nous réunissons alors les conditions pour obtenir le déplacement du navire en marche Avant par réaction des pales sur le liquide. Ceci est matérialisé sur la fig. 19, par la position des pales I et 2.

[0014] Le raiaonnement est le même pour comprendre l'action du dispositif de commande babord sur les pales de l'hélice. Les pales occupent alors les positions 3 et4 de la figure 19. Les hélices sont convergentes et tournent toujours dans le même sens quelque soit la manoeuvre effectuée. Sur 1a figure 13 nous avons matérialisé les dispositifs de commande babord et tribord. Seuls sont figurés les pignons (28) occupant la position verticale et les leviers de rotules correspondant.En effet seuls les leviers passant par cette position agissent d'une valeur Appréciable sur les pignons (28) lors de l'excentricité de l'arbre (0).

[0015] Sur la fig. I3, les flèches indiquent le sens de rotation des pignons pour obtenir la marche Avant. Si l'arbre (0) est excentré de o en o' sur le dispositif tribord, nous avonst

- une rotation du pignon supérieur imprimée par le levier de rotule. Cette rotation amplifie la valeur angulaire obtenue pour la marche-Avant.

- une rotation du pignon inférieur imprimée par le levier de rotule. Cette rotation diminue la valeur angulaire obtenue pour la marche-Avant. Si l'arbre 0 est excentré de o en oI sur le dispositif bâbord, nous avons:

- Une rotation du pignon supérieur imprimée par le levier de rotule. Cette rotation diminue la valeur angulaire obtenue pour la marche Avant.

- une rotation du pignon inférieur imprimée par le levier de rotule. Cette rotation amplifie la valeur angulaire obtenue pour la marche Avant.

[0016] Ces résultats ont pour effet de modifier le pas des pales, tributaires, de la valeur angulaire prise lors de la rotation des pignons ₂8.

[0017] Ces variations de pas sont précisées sur la fig. 13, par les signes plus et moins. Il en résulte au niveau des pales considérées de nouvelles réactions R et RI (fig. 19 - fig. 25).

[0018] Le navire vient alors sur le tribord sous l'effet des résultantes obtenues. En analysant les fig. 13, 19, 25 - 14, 20, 26 - 15, 21, 27 - 16, 22, 28 - 17, 23, 29 et 18, 24, 30 - par groupes de trois, nous comprenons toutes les possibilités d'évolutions du navire.

[0019] Si nous développons les cas de figures ci-dessus, on se rend compte que le navire peut se déplacer suivant les 360° de la circonférence.

[0020] La gouverne du navire est obtenue par le volant (3) qui provoque le déplacement latéral des arbres (0) dans le même sens.

[0021] Le déplacement latéral du navire est obtenu par le volant (13) qui provoque le déplacement des arbres (0) dans des sens opposés. Par un r^pn-voi orthogonal, le volant (3) commande en rotation la vis (5) à pas unique. Le chariot (I) se déplace alors en translation sur la glissière (₂). La vis (6) est supportée par le chariot et des paliers. La rainure de clavette (16) permet la translation de la vis (6) dans son pignon d'en- trainement. Les écrous (7) sont fixes en rotation.

[0022] La rotation du volant (3) provoque le déplacement du chariot (T), les écrous (7) sont alors entrainés dans un même sens. Les leviers (12) attelés aux écrous (7) par les biellettes (8) entrent en rotation et sollicitent les renvois orthogonaux (I5). Les axes de commande (17) agissent alors sur les biellettes (E) attelées aux commandes de tiroirs (L). Les tiroirs distribuent alors une pression d'huile sur l'une ou l'autre face des pistons (M).

[0023] Les deux blocs-cylindres (G) entrent en rotation nour excentrer dans le même sens les deux arbres (0), les cas des figures T3, 14, 15, et T6 sont alors réalisés. Les tiroirs sont asservis aux pistons (M).

[0024] Par un couple de pignons droits (I4), le volant (13) commande la rotation de la vis (6) qui comporte deux pas à sens inverses. Len écrous (7) se déplacent en sens opposés. Les deux tiroirs vont alors se déplacer en sens inverses provoquant les déplacenments inverses des deux pistons (L). Les deux blocs-cylindre (G) subissent des rotations de sens opposés. Les cas des fig. I7 et 18 sont alors réalisés pour arbres (0).

[0025] Les commandes en translation des arbres (0) sont obtenues par l'action des leviers (10) couplés aux disques (9) supportant les butées (II) fig. 4 Sous l'impulsion des leviers (10) les deux couples orthogonaux (I9) entrent en rotation pour commander les axes (18) qui viennent agir sur les coulidseaux (W) attelés aux commandes des tiroirs; ceci se fait par les biellettes (H). Les commandes de tiroirs sont libres en rotation sur les coulisseaux. Elles peuvent ainsi suivre les rotations imprimées aux blocs-cylindres (G). Les tiroirs distribuent une pression d'huile sur l'une ou l'autre drs faces des pistons (Z) attelés aux arbres (0). Les déplacements obtenus se font suivant les sens des flèches (f) ou (fI) fig.7.

[0026] Les butées (II) des disques (9) Ont pour but de limiter les valeurs des crans de gouverne du navire. Les pas sinusoidaux ainsi obtenus ne peuvent en leur point maximum dépasser le pas imprimé pour la propulsion L'un des disques est attelé à l'un des leviers par un couple de pignons droits. Ce montage est impératif pour avoir en permanence une butée en position adéquate, tel, que défini aux figures 3I à 36.

[0027] Une seule butée régule les déplacements des écrous (7), ceux-ci étant synchronisés par la vis (6). Les leviers (I2) et les disrues (9) sont montés sur un même axe et séparés par des entretoises.

[0028] Pour obtenir le déplacement latéral du navire, le volant (13) est tourné une fois pour toute sur le caté droit, que ce soit pour des déplacements babord ou tribord. Le point O du volant (13) est matérialisé par un index fixé sur l'un des écrous (7) et se trouvant devant une marque o du bâti. On ne peut remarquer que c'est toujours le levier situé du côté de l'accostage qui est en marche Avant. Le volant (13) ne peut tourner que dans un sens, les écrous (7) étant en butée sur des collets lorsqu'ils sont au point 0.

[0029] Les dispositifs de commande des deux hélices, sont situés dans deux appendices (S) profilés se trouvant au premier tiers avant sous la carène (X) du navire. (fig. 2 et 3).

[0030] Cette disposition est particulière aux navires devant effectuer des manoeuvres délicates. Une dérive (Y) est alors située à l'arriéré du na- . vire. Cette disposition permet sur les remorqueurs, d'effectuer le point d'ancrage de la remorque sur l'arrière du navire. Ceci élimine tout risque de chavirement contrairement à ce qui se passe sur les remorqueurs à hélice classique, où, le point d'ancrage se fait au milieu, pour permettre au gouvernail d'être actif. En dehors des remorqueurs, ces dispositifs peuvent être situés au premier tiers arrière, le déplacement latéral est également obtenu. De nombreuses variantes sont possibles en fonction des exigences. Ce système vient en concurrence directe avec le propulseur "Voith-Schneider". Il lui, est toutefois supérieur par son rendement. On peut également lui adjoindre une tuyère (U) sur le plan arrière de l'hélice (fig.2) , ce qui augmente le pouvoir de traction. Les tuyères peuvent être installées sous forme de tunnel, ce qui a pour effet de canaliser au maximum les filets d'eau en les amenant jusqu'à l'arrière du navire. Dans ce cas une dérive n'est pas nécessaire.

[0031] Les effets des filets d'eau du remorqué sur la dérive sont alors éliminés. Ceci est d'une grande importance pour le remorqueur. Ce phénomène existe par contre sur les remorqueurs équipés de "Voith-Schneider",lors que la remorque est passée à l'arrière du remorqué. Ceci est dangereux pour le passage des écluses, car le remorqueur devient incontrolable durant sa présence dann le secteur critique, syant, pour,axe, le refoulement de l'hélice du remorqué.

[0032] Sur les navires de ligne, notre dispositif assure une grande sécuti- té. En effet, nos hélices ne fonctionneront que suivant le principe de l'hélice à pas variable. Si une avarie de gouvernail intervient, notre hélice à pas variable et à pas sinusoidal viendra en secours pour assurer la gouverne tout en assurant la propulsion.

[0033] N. B. Sur le disnoaitif babrd les pignons 27 des couples orthogonaux sont montés à l'opposé des pignons 27 du dispositif tribord.

Revendications

1 Dispositif de commande de propulsion et de gouverne d"un navire à hélices à pas variable, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens der commande des hélices suivant un pas vaniable sinusoidal permettant d'obtenir la gouverne et le déplacement latéral du navire, et, suivant un pas vaniable constant, les marches avant et arrière; conetitue d'axes N disposés dans un arbre porte-hélice A, couplés aux pieds de pales d'hélice Q et mis en manvement de rotation à partir des déplacements longitudinaux et latéraux d'un arbre 0 coulissant axialement par rapport à un support G dépleacable lathéralement. L'extrémlté d'un arbre 0 traverse un aelésage D d'un palier J, pour aboutir à l'intérieur d'un volant 1 solidaire d'un arbre porte-hélice A monté sur des paliers T et K.

A l'intérieur du volant B sont diaposés des moyens de tranaformation des mouvements linéaires orthogonaux de l'arbre 0 en mouvements de rotation des axes N égales ou inégales entr'elles.

Des moyens de commade asservis M et Z, assurant les déplacements de l'arbre 0 et de son support G sont en outre prévue.

.II Dispositif selon les revendications I, caractérisé en ce que la mise en rotation des axes N esttobtenue par les déplacements d'un arbre 0 qui supporte une bague 20 sur laquelle sont implantées des rotules 32 avec leviers 26. Ces rotules sont calées à 909 pour une hélice a quatre pales. Les leviers viennent se glisser dans des tubes guides 37 implantés dans des cadres femelles 22. Ces cadres sont liés à des cadres males 29 par des axes 30 qui sont fixes sur les cadres femelles et libres en rotation dans les cadres mâles. Des axes 33 supportent les cadres mâles par lmplantaion dans flasques du volant B, nous obtenons alors des groupes de deux cadres qui peuvent se nouvoir en rotation dans les flasques du volant. Four une hélice- à quatre pales, nous avons quatre groupes de deux cadres. Dens chaque cadre mâle est Implanté un couple de pignons coniques dont l'un 27 est solidaire de l'axe 30 et dont l'autre 28 est solidaire de l'axe 33. Cet axe est libre en rotation dans chaque cadre mâle et supporte un pignon droit claveté formant couple 2I avec un secteur de pignon claveté' sur l'axe N. Nous constatons que si l'arbre 0 occupe une position concentrique à celle de l'arbre porte-hélice, les rotules, les groupes de cadres, les pales d'"hélice ont un calage qui est en concordance.

Si l'arbre 0 est excentré, les rotules eubissent un décalage. La bague 20 comporte un bras d'entrainement 23 qui est ancré suivant la bissectrice de l'angle formé par le calage de deux rotules conttgües. Ce bras 23 vient se glisser dans l'alésage d'un axe 25 qui est libre en rotation et en translation dans les flasques du volant B.

Si l'arbre 0 est déplacé en translation tout en restant concentrique à l'arbre porte-hélice, les calages ne sont pas modifies.

Si le volant B entre en rotation l'bnsemble du mécanisme est également en- trainé et la bague 20 tourne sur l'arbre 0.

Si lors de cette rotation, on imprime à l'arbre 0 un déplacement en translation concentrique à l'arbre porte-hélice, les couples de pignons coniques qui sont dans les cadres mâles, entrent en notation et commandent la rotation des couples de pignons droits 2I et par suite celle des axes N qui se faft de nenlére égale sur les quatre axes, puisque les leviers 26 ont des inclinaisons égales. Les pales d'hélice ont alors une position qui reste invariable, on obtient le pas constant de l'hélice qui assure la propulsion du navire.

Si lors de la. rotation du volant B on imprime à l'arbre 0 un déplacement latéral, les pignons coniques situés dans les cadres mâles se bloquent et forment liaison rigides entre les cadres mâles et les cadres femelles. Ce sont alors les groupes de cadres qui entrent en rotation pour commander les couples de pignons droits 21. Les axes N ont alors des rotations inégales par inclinaisons inégales des leviers Z6. Ces inclinaisons sont variables lors de la rotation du volant B. Les pales d'hélice suivent donc le même mouvement et engendrent le pas cyclique sinusoidal de l'hélice pour assurer la gpuverne du navire.

III Dispositif selon la revendication 2 caractértsé en ce que l'arbre 0 est logé dans un bloc-cylindre G monté libre en rotation et fixe en translation sur un axe support. L'arbre 0 est couplé à un piston Z dans le bloc-cylindre G . Ce piston est mis en mouvement par une pression d'huile qui est régulée par un tiroir asservi au déplacement du pistonI Z . C"est ce piston qui commande le déplacement en translation de l'arbre 0.

IV Dispositif selon la revendication II caractérisé en ce que le bloc-cylindre G support de l'arbre 0 est mis en rotation sous l'impulsion d'un piston M du bloc-cylindre F, qui transmet ses déplacements par une tige C et une une bielle ancrée par une chape articulée sur le bloc-cylindre G.
Le piston M se déplace sons l'effet d'une pression d'huile régulée par un tiroir asservi L. C'est ce piston M qui commande le déplacement latéral de l'arbre 0.

V Dispositif selon la revendication II caractérisé en ce qu'il comporte deux hélices à pas variable commandées chacune par un dispositif de commande des pas variables. Les pas cycliques ainusoidaux de chaque héllce combinés entr'eux, permattentd,'obtenir le déplacement latéral du navire.

VI Dispositif selon la revendication II, caractérisé en oe que le pas variable constant de l'hélice est commandé par un levier 10 agissant sur un tiroir de régulation qui commande par un pdston Z le déplacement en translation de l'arbre 0₁ que le pas cyclique einueoidal de l'hélice est obtenu par un volant 3 de gouverne ou par un volant 13 de commande de déplacement latéral du navire. Ces deux volante agissent sur un même tiroir de régulation L qui provoque le déplacement latéral de l'arbre 0.

VII Dispositif selon la revendication II caractériaé en ce que le pas cyclique ainusoidal ne peut jamais dépasser en amplitude le pas variable constant grâce à une butée 11 qui limite la course du tiroir L commandant le déplacement latéral de l'arbre 0.

Dessins