LIGNE D`ARBRE

LA 1
Ligne d’arbre
LIGNE D’ARBRE
La ligne d’arbre se divise en 3 parties :
- l’arbre moteur (ou manivelles) ;
- les arbres intermédiaires ;
- l’arbre porte hélice.
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ARBRES INTERMEDIAIRES (planche 1)
D’une longueur de 5 à 10 mètres, ils sont en acier doux, le plus souvent creux
pour diminuer le poids. Ils présentent généralement des portées de plus fort
diamètre à l’endroit des paliers supports.
Normalement, il faudrait un palier support près de chaque tourteau
d’assemblage, dans la pratique un tronçon soutenu par 2 paliers est suivi d’un
tronçon soutenu par un seul palier etc.…
Pour assembler les tronçons entre eux, on choisit un genre de jonctionnement
en tenant compte de la sortie éventuelle des arbres par l’extérieur et du type de
palier support.
On peut trouver :
- tourteau venu de forge avec 1 arbre ;
- tourteau rapporté par emmanchement conique avec clavettes
longitudinales et transversales ;
- manchon en deux parties assemblées par boulons ;
- manchon en une partie tenu par clavettes transversales.
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PALIERS SUPPORTS (planche 2)
Les principaux types sont :
- palier lisse, identique au palier d’arbre moteur, dont le graissage est assuré
par bague ou par disque ;
- palier à rouleaux, lubrifié à l’huile ou à la graisse ;
- palier Michell à patins oscillants pour les fortes charges (même principe
que la butée).
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PALIER DE BUTEE (planche 3)
C’est lui qui transmet la poussée de l’hélice à la coque. Cette poussée étant très
forte il faut répartir sur une grande surface (butée à plusieurs collets) ou utiliser le
système de graissage sur coin d’huile.
La butée se place sur le premier des arbres intermédiaires. Actuellement on
utilise partout la butée Michell (principe voir cours de turbine).
La valeur de la poussée est en moyenne de 7 kg/ch. Un navire de 30 000 ch
aura donc une poussée de l’ordre de 210 tonnes.
Ligne d’arbre
Planche 1
LA 2
Ligne d’arbre
Planche 2
LA 3
LA 4
Ligne d’arbre
Planche 3
LA 5
Ligne d’arbre
DESCRIPTION BUTEE STAL LAVAL
Ce palier est du type Michell à patins. Il peut absorber momentanément une
poussée double de la poussée axiale normale.
La charge sur chaque patin (7) est transmise par un grain sphérique (11) à
l’anneau de poussée (5) usiné dans un métal plus tendre.
Le rayon de sphéricité des grains est choisi de telle sorte que toute répartition
inégale de la charge entre les patins de butée causée par le pivotement de l’arbre
par rapport au corps de butée soit absorbée par déformation.
Le palier est alimenté en huile par le système de graissage (tuyau a).
Pour assurer le graissage de l’ensemble du palier, celui ci est rempli d’huile
afin que les patins travaillent complètement noyés.
La sortie principale se fait par le tuyau (c), mais il y a également une petite
purge munie d’un diaphragme (16) qui permet l’évacuation continue des impuretés
du fond du palier.
Cette purge, ainsi que les fuites qui se produisent à l’arbre aboutissent au
second tuyau d’évacuation (b).
DESACCOUPLEMENT DES TOURTEAUX
Lorsque pour une raison quelconque on doit enlever les boulons
d’accouplement des tourteaux, les étanchéités (2) sur l’arbre de butée, doivent être
remplacées par les bagues de montage (13) fournies par STAL LAVAL.
Ceci est nécessaire pour éviter que l’arbre ne vienne porter sur les bagues
d’étanchéité qui seraient endommagées.
REMPLACEMENT DES PATINS DE BUTEE
A – Enlever la tape de visite (8),
B – Visser un piton d’enlevage sur le patin accessible (7), enlever les vis fixant le
porte patins (6) à l’anneau de poussée (5) et enlever l’ensemble patin de butée
– porte patin,
C – Mettre en place un nouveau patin et replacer le patin et le porte patin. Visser le
porte patin à l’anneau de poussée,
D – Engager un levier convenable à la périphérie de l’anneau de poussée aussi loin
que possible,
E – Faire tourner l’anneau de poussée de façon à mettre un nouveau patin en
position convenable,
F – Replacer la tape de visite après achèvement du travail.
Des clavettes placées en dessous de cette tape permettent de bloquer l’anneau
de poussée dans sa position correcte (voir coupe AA).
LA 6
Ligne d’arbre
LEGENDE DE LA FIGURE
1 – Arbre de butée
2 – Racleur d’huile
3 – Corps de palier
4 – Bague d’étanchéité
5 – Anneau de poussée
6 – Porte patin
7 – Patin
8 – Tape de visite
9 – Collet de butée
10 – Piétements pour thermomètre (y compris un thermomètre à distance)
11 – Grain de fond
12 – Goupille
13 – Bague de montage
14 – Goupille
15 – Trou pour piston d’enlevage
16 – Diaphragme
17 – Piétement pour indicateur de déplacement axial de l’arbre
18 – Indicateur de déplacement
19 – Palpeur
20 – Piétement pour thermomètre
LA 7
Ligne d’arbre
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VIREUR (planche 4)
1) Installations à turbines
Lors du réchauffage des turbines de propulsion, il est nécessaire, pour
équilibrer la température des différentes parties du rotor, de virer les turbines, soit
d’une manière continue, soit par intermittence. De même, lors d’un arrêt prolongé,
ou lors d’un examen des parties internes par les portes de visite, il est nécessaire de
faire varier la position des rotors. L’appareil (moto-réducteur) utilisé à cet effet est
appelé vireur. Il permet d’entraîner l’ensemble des turbines grâce à un système
permettant l’embrayage avec l’un des pignons du réducteur principal
(généralement le pignon H.P.). Un système de sécurité interdit l’ouverture des
soupapes de manœuvre si le vireur est embrayé.
2) Installation à moteurs
Sur les moteurs de faible puissance, ils seront virés à la main à l’aide de barre que
l’on peut placer dans des logements sur le pourtour du volant placé a la sortie du moteur.
Sur les gros moteurs 2 temps, l’effort nécessaire pour faire tourner le moteur
est très important aussi on dispose d’un moto-réducteur que l’on embraye sur la
denture prévue à la périphérie du volant situé en bout du moteur.
Une sécurité électrique ou pneumatique empêche de lancer le moteur si le
vireur est embrayé.
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FREIN (planche 4)
Sur certains navires un collier garni de ferrodo peut être serré sur un collet
proche de la butée, dans le but d’immobiliser la ligne d’arbre. Il doit
théoriquement, sur un navire a plusieurs hélices, permettre d’empêcher la rotation
d’une ligne d’arbre le navire étant propulsé par les autres hélices.
Sauf avarie sur la ligne d’arbre elle-même, le freinage du navire est moins
important en laissant tourner l’hélice ligne d’arbre débrayée à un tourteau par exemple,
qu’avec le frein. On peut alors travailler sur le groupe moteur en toute sécurité.
Planche 4
Ligne d’arbre
LA 8
ARBRE PORTE HELICE – TUBE D’ETAMBOT, PALIER
SUPPORTS – (planche 5,6)
Dans le cas d’une hélice centrale, c’est l’arbre porte hélice qui traverse la
coque, il faut alors 2 paliers supports à cause des formes arrières.
Pour les arbres latéraux, c’est le dernier arbre intermédiaire qui traverse la
coque, l’arbre porte hélice étant entièrement dans l’eau et s’appelle « chaise
support ».
Pour obtenir une bonne lubrification des paliers avant et arrière malgré l’eau
de mer, ils sont constitués de « douelles » de gaïac (arbre d’Amérique, à bois très
dur et résineux) qui donne un bon frottement sur la chemise en bronze. Les
douelles de gaïac sont chanfreinées du coté de l’arbre pour laisser circuler l’eau de
mer.
Actuellement sur la plupart des navires les paliers sont antifrictionnés, le
graissage se faisant à l’huile ou à la graisse retenue par un dispositif spécial à
bague de frottement (garniture simplex). Dans ce cas l’arbre n’est pas chemisé.
Une caisse à huile en charge permet d’assurer à l’huile une pression statique
supérieure à celle de l’eau de mer afin qu’en cas de fuite ce soit de l’huile qui
s’échappe et non de l’eau de mer qui rentre dans le tube d’étambot.
Sur les gros navires (pétroliers) il y a 2 caisse en charge. Une caisse haute
située à 4 m au dessus de la flottaison en ballast léger, afin que la différence de
pression statique sur les garnitures ne soit pas trop élevée. Un circuit d’huile assure
sur certaines installations le réfrigération de la garniture simplex AV (coté
machine).
Ligne d’arbre
Planche 5
LA 9
Ligne d’arbre
Planche 6
LA 10
Ligne d’arbre
LA 11
HELICE
a) Hélice géométrique (planche 7)
C’est la course engendrée sur un cylindre droit par un point animé de 2
vitesses constantes, l’une parallèle à l’axe et l’autre circonférentielle.
Les élévations sur le cylindre sont proportionnelles aux angles de rotation et au
bout d’un tour, l’élévation est égale au pas de l’hélice.
On distingue les hélices de pas à droite et de pas à gauche suivant le sens de
rotation. L’hélice géométrique de développe suivant une droite si on déroule le
cylindre.
b) Surface hélicoïdale (planche 8)
C’est la surface non développable engendrée par un segment de droite A B
appelée génératrice, dont le point O est astreint à rester sur l’axe x y et le point B à
décrire l’hélice géométrique appelée directrice.
Si la droite reste parallèle au plan de base ou perpendiculaire à l’axe, la surface
est dite à plan directeur, c’est le cas des vis à filets carrés.
Si la droite reste parallèle aux génératrices d’un cône ou fait l’angle α sur
l’axe, la surface est dite à cône directeur, c’est le cas des vis à filets triangulaires.
c) Hélice propulsive
Elles sont constituées de plusieurs ailes (2 à 5) qui sont des morceaux de
surface hélicoïdale ramenés dans un même plan sur un moyeu.
Les hélices sont en fonte ou plus généralement en bronze haute résistance.
On distingue :
- les hélices monobloc, (les plus courantes) ;
- les hélices à ailes rapportées (rares) ;
- les hélices à ailes orientables.
Le diamètre de l’hélice est celui de la circonférence circonscrite aux ailes, il y
a avantage à le faire le plus grand possible car la poussée augmente avec la
distance à l’axe.
Si le navire a une hélice elle de pas à droite, en marche avant on voit tourner
dans le sens horaire vu de l’arrière et à l’extérieur. Avec 2 lignes d’arbres, les
hélices sont supra divergentes, tribord est de pas à droite et bâbord de pas à gauche.
La vitesse de rotation des hélices ne doit pas être trop élevée à cause du
phénomène de cavitation. Plus le diamètre est grand plus la vitesse doit être faible.
La cavitation est due au dégagement de l’air dissous dans l’eau ainsi qu’à une
vaporisation partielle du liquide sous l’effet de la dépression sur le dos de l’aile.
L’hélice est entourée d’une poche gazeuse l’empêchant de prendre appui sur
l’eau. Quand le phénomène cesse, la disparition des vapeurs s’accompagne de
marteaux d’eau très intenses.
L’hélice se fixe sur l’arbre par emmanchement conique avec ou sans clavettes
longitudinales d’entraînement (1 ou 2). Des joints empêchent les entrées d’eau.
L’écrou de fixation soigneusement freiné est toujours de pas inverse à celui de
l’hélise, pour empêcher son déblocage en marche AV. il est protégé par un casque
en forme d’ogive et rempli de suif ou d’huile, pour éviter la corrosion par l’eau de
mer.
Ligne d’arbre
Planche 7
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Ligne d’arbre
Planche 8
LA 13
Ligne d’arbre
LA 14
d) Hélice à pas variable (Pl. 8, 9, 10, 11)
But :
L’hélice à pas variable, à pas réversible ou à pales orientables permet, pour un
même sens de rotation de la ligne d’arbre d’obtenir la marche avant ou la marche
arrière, la position stop, et même des variations de puissance du navire, pour une
même vitesse de la ligne d’arbre, suivant l’inclinaison des pales.
Principe : (Pl. 7 – Fig. 1, 2, 3)
L’hélice tournant dans le sens (f) avec une inclinaison des pales ( - l’axe de la ligne d’arbre, exerce sur l’eau une force P et subit de la part du liquide
une réaction R égale et opposée à P. Cette réaction se décompose en deux forces :
- F’ parallèle à l’axe du navire, qui transmise à la coque par l’arbre et la
butée provoque le déplacement en avant ;
- F’’ perpendiculaire à l’axe de l’hélice, qui s’oppose à la rotation et crée le
couple résistant qu’équilibre le couple produit par le moteur.
Si l’on fait tourner la pale de l’hélice d’un angle ( +- rt à la
perpendiculaire à l’axe du navire et si l’on ne change pas le sens de rotation de
l’arbre d’hélice, les efforts changent de sens et l’on a une traction provoquant la
marche
arrière.
égale 0 les pales sont inclinées de 90° et ne produisent aucune
poussée. Le navire est stoppé, on dit que l’hélice est en drapeau.
Avantages
Les navires équipés d’hélices à pales orientables présentent, par rapport à ceux
équipés d’hélices monoblocs, les avantages suivants :
- moteur de construction plus simple (non réversible) ;
- réchauffage et essai des moteurs avant départ ;
- pas de risque de rater un démarrage, ou de se retrouver sans air de
lancement ;
- nombre réduit de démarrages du moteur, d’ou réduction des usures et de
l’entretien ;
- possibilité d’avoir un alternateur attelé produisant l’énergie électrique à
bon marché ;
- utilisation plus rationnelle du moteur en s’adaptant à toutes les conditions
d’utilisation du navire (vitesse, déplacement salissure de carène, état de la
mer, etc.) ;
- possibilité d’avoir une très faible allure du navire avec le moteur à son
régime normal ;
- renversement de marche rapide et sans à-coups, toute la puissance étant
rapidement disponible directement de la passerelle ;
- meilleure tenue de l’hélice à la cavitation ;
- frais de réparations réduits en cas de chocs sur l’hélice (une seule pale à
changer) ;
- prix de revient sensiblement identique.
Réalisations :
Les pales sont rapportées sur le moyeu de l’hélice, elles peuvent tourner autour
d’un axe perpendiculaire à l’axe de la ligne d’arbre. L’angle de rotation maximal
des pales entre le pas marche avant toute et le pas marche arrière toute est de 50°.
Ligne d’arbre
LA 15
Ce mouvement est obtenu grâce à un servomoteur (effort maximal à fournir 400
tonnes) qui peut être placé dans le moyeu ou dans la ligne d’arbre.
- Le servomoteur dans le moyeu est de conception simple, mais la ligne
d’arbres est remplie d’huile à haute pression.
- Le servomoteur dans la ligne d’arbre permet une bonne accessibilité du
mécanisme, et le moyeu ne comprend plus que des pièces mécaniques
simples.
L’introduction d’huile motrice est assuré, soit radialement sur l’arbre par des
joints tournants de grand diamètre soit, par l’extrémité avant de l’arbre, si celle ci
est libre, ce qui est le cas lorsque l’arbre est entraîné par l’intermédiaire d’un
réducteur de vitesse.
Les pales et le moyeu sont généralement exécutés dans un alliage de cuproaluminium composé de 4 à 5% de nickel, 9 à 10% d’aluminium, 3 à 5% de fer, 1 à
1,5% de manganèse, le reste de cuivre.
Ses caractéristiques sont les suivantes :
Charge de rupture 66 daN/mm², limite élastique 28 daN/mm², ils peuvent être
également exécutés en acier inoxydable composé de 13 % de chrome, 0,70 % de
nickel, 0,3 % de manganèse.
Fonctionnement d’un servomoteur
Le servomoteur fixé sur la ligne d’arbres est constitué d’un cylindre dans
lequel se déplace un piston relié par l’intermédiaire d’une tige de commande à
l’étrier du moyeu d’hélice. Un collet répétiteur « C » transmet les mouvements du
moyeu et donc des pales de l’hélice. Un levier « ABC » assure l’asservissement.
Supposons un déplacement de la commande du pas d’hélice de A en A’. Le
point B se déplace en B’. Le tiroir distributeur met sous pression la chambre D et
en purge la chambre E. Le piston du servomoteur se déplace vers la gauche,
entraînant la variation du pas de l’hélice et le déplacement du collet répétiteur.
Lorsque le point « C » sera en « C’ », le point B’ sera revenu en B et le tiroir sera à
nouveau arête pour arête, le mouvement s’arrêtera.
Pour obtenir un déplacement inverse du pas de l’hélice il suffit de déplacer le
point A vers la gauche. Le fonctionnement est symétrique au précédent.
d) Hélice à pas réglable
Certaines hélices ont des ailes orientables, semblables à celles à pas variable,
mais leur commande et utilisation sont différentes. Le réglage du pas nécessite
l’arrêt de la ligne d’arbres qui est entraînée par une machine réversible et à vitesse
variable.
Cette disposition peut intéresser les chalutiers qui en période de chalutage ont
besoin d’une forte traction avec une faible vitesse. L’hélice étant réglée à un pas
faible, le moteur peut fonctionner à son régime de rendement maximal, sans
surcharge. En route libre, le pas est augmenté pour avoir la vitesse maximale.
Exemple : (planche 12)
Les 3 ailes dont le pied est emprisonné entre les deux demi coquilles du moyeu
s’orientent grâce à des tétons de manœuvres, fixés à une tête de section triangulaire
reliée elle même par une tige intérieure à l’arbre, à une vis de manœuvre qui peut
être déplacée à l’aide d’une clé quand la ligne d’arbres est stoppée.
Ligne d’arbre
Planche 9
LA 16
Ligne d’arbre
Planche 10
LA 17
Ligne d’arbre
Planche 11
LA 18
Ligne d’arbre
Planche 11 bis
LA 19
Ligne d’arbre
Planche 12
LA 20