La propulsion des navires est le moteur de la navigation commerciale; le choix de la configuration des propulseurs affecte directement l'efficacité opérationnelle, la sécurité et les coûts du cycle de vie.Depuis des décennies, les architectes navals et les exploitants de flotte ont débattu des avantages des arrangements bivis par rapport aux arrangements monovis sur les navires à cargaison.

Différences fondamentales dans les configurations Thruster

La distinction fondamentale entre un système de propulseur à vis simple et un système de propulseur à deux vis est simple : un navire à vis unique utilise une grande hélice montée sur l'axe de l'arrière, tandis qu'un navire à deux vis emploie deux hélices plus petites, généralement installées sur les côtés bâbord et tribord, chacune étant entraînée par son propre arbre et moteur.

Caractéristiques de propulsion à vis unique

Dans un arrangement à vis unique, l'hélice fonctionne à l'ombre de la coque et du gouvernail. Le flux dans le disque de l'hélice est très non uniforme en raison de la couche limite et de la présence d'un cadre post-sternal. La conception de la lame asymétrique et les anneaux de buse modernes peuvent atténuer certains de ces effets, mais l'asymétrie inhérente signifie que la cavitation et les vibrations sont souvent plus prononcées à des vitesses plus élevées.

Caractéristiques de propulsion à vis jumelée

Les hélices à deux vis peuvent fonctionner à des vitesses plus élevées tout en maintenant une efficacité acceptable, et le positionnement symétrique permet l'utilisation de gouvernails ou de gousses jumeaux. L'écoulement propre réduit les vibrations et le bruit, ce qui est particulièrement utile pour les hybrides passagers-navires, mais améliore également la longévité structurelle des navires cargos. Comme les deux hélices sont contre-rotation (une dans le sens des aiguilles d'une montre, une dans le sens des aiguilles d'une montre), les forces de couple nettes sur la coque sont équilibrées, réduisant ainsi le besoin d'angles de gouvernail compensatoires pendant la croisière en ligne droite.

Ces distinctions fondamentales donnent lieu aux avantages opérationnels décrits ci-après.

Avantages opérationnels des propulseurs à vis jumelées

Manutention et exploitation portuaire

Les navires à cargaison opérant dans des ports encombrés, des chenaux étroits ou sans assistance de remorqueur bénéficient énormément des systèmes à deux vis. Par exemple, un porte-conteneur à deux vis peut effectuer un virage de 180 degrés d'une largeur à peine plus grande que sa propre longueur, alors qu'un navire à une seule vis nécessite un cercle de virage beaucoup plus large et peut avoir besoin d'escorte de remorqueur. Cette capacité réduit directement les coûts portuaires et les délais de virage. De plus, les bivis permettent de positionner dynamiquement (DP) les capacités des navires de service en mer, bien que les systèmes entièrement conformes au DP nécessitent souvent des hélices à pas contrôlable.

Redondance et survie

Si un moteur échoue, le navire peut maintenir une puissance propulsive de 50 %, ce qui lui permet de se diriger vers un ancrage sûr ou de continuer à une vitesse réduite. Dans les navires à équipage unique, une perte complète de propulsion nécessite souvent un remorquage d'urgence.Cette fiabilité est essentielle pour les navires opérant dans des zones éloignées (p. ex., les navires de soutien arctique ou les navires de sauvetage en haute mer) et pour ceux qui respectent des exigences strictes, comme les navires transocéaniques.

Flexibilité de maintien et de chargement

De nombreux vraquiers modernes et navires à marchandises générales sont équipés de propulseurs à proue pour faciliter l'accostage, mais même sans eux, les navires à deux équipages peuvent -marcher-- latéralement par différentiel de poussée. Cette précision est inestimable pour charger des marchandises lourdes qui nécessitent un alignement latéral exact avec des grues à quai.

Réduction des vibrations et du bruit

Comme les hélices jumelées sont plus éloignées de l'axe de la coque et fonctionnent dans une eau plus propre, les vibrations transmises aux logements et aux cales de chargement sont plus faibles que dans les conceptions à une seule vis. Il ne s'agit pas seulement d'un problème de confort; les vibrations excessives peuvent causer de la fatigue structurelle dans la coque et les machines. A La société des architectes navals et des ingénieurs marins (SNAME)[ du papier technique a montré que les configurations des bivis subissent des charges vibratoires de 30 à 50 % plus faibles sur les pales de l'hélice que sur les vis simples à la même vitesse du bateau.

Avantages des manchons à vis unique

Construction initiale et simplicité

La configuration d'un seul vis est mécaniquement plus simple. Il y a un moteur principal, une ligne d'arbre, une hélice et un gouvernail, ce qui réduit le nombre de composants qui peuvent échouer et simplifie le processus d'alignement pendant la construction. Pour les chantiers navals, la construction d'un navire à un vis est plus rapide et nécessite moins de travail spécialisé. Pour les propriétaires, le coût en capital plus faible] peut être le facteur déterminant, surtout pour les modèles normalisés comme les vraquiers Supramax ou les pétroliers Suezmax, où une configuration éprouvée d'un vis unique est la norme de l'industrie.

Efficacité énergétique dans les conditions de croisière

À la vitesse de conception (généralement de 12 à 16 nœuds pour les vraquiers, de 22 à 25 nœuds pour les porte-conteneurs rapides), une seule hélice de grand diamètre fonctionnant à faible régime de rotation atteint généralement le rendement en eau libre le plus élevé. L'efficacité d'une seule vis peut être supérieure de 3 à 6 % à celle d'un système à deux vis équivalent, principalement parce que l'arrangement à deux vis entraîne des pertes supplémentaires dues aux tourbillons de moyeu et à la traînée d'appendice des étriers d'arbre. Pour les navires qui passent la plus grande partie de leur vie à un seul passage océanique à vitesse constante, cette économie de carburant se traduit par des réductions annuelles considérables de l'OPEX.

Réduction des besoins en poids et en espace

Le système monovisant utilise un seul moteur et un seul tunnel d'arbre, et le bloc de propulsion en entier occupe moins de volume dans la salle des machines. Il libère de l'espace pour des capacités ou des logements supplémentaires. Pour les navires opérant sur les Grands Lacs ou dans d'autres régions à faible tirant d'eau, la pénalité pour l'ébauche de la vis unique est souvent acceptable compte tenu des gains de charge utile.

Complexité réduite d'entretien

Les exploitants de navires à équipage unique peuvent effectuer des réparations d'hélices sous-marines sans immersion si un joint bivis est utilisé, mais les navires à équipage double avec plusieurs arbres ont le double du risque de défaillance de l'étanchéité et nécessitent souvent un nettoyage plus fréquent des hélices de la biosoudure. Dans les régions à forte croissance marine (par exemple, en Asie du Sud-Est), les coûts de nettoyage des bivis peuvent monter rapidement.

Analyse comparative : quand choisir quel système

La matrice de décision pour les navires à cargaison comporte l'échange des avantages de la bivis en matière de maniabilité et de redondance par rapport aux avantages de la monovis en matière de rendement et de coût du carburant.

Conteneurs

Les grands porte-conteneurs post-Panamax (10 000+ EVP) utilisent presque universellement des arrangements bivis. La nécessité de vitesses de transit élevées (20 à 25 noeuds), une fiabilité serrée du calendrier et de fréquents appels portuaires dans les terminaux encombrés rendent essentiel la redondance et l'amarrage rapide. Une défaillance d'un seul équipage sur un tel navire peut coûter des centaines de milliers de dollars en chargement retardé.

Transporteurs et citernes en vrac

Les navires de transport de gros gros gros gros (VLCC) et de transport de gros gros gros porteurs de capsize sont généralement à équipage unique parce qu'ils sont exploités sur des routes longues et ininterrompues (par exemple, le Brésil vers la Chine) à des vitesses constantes de 12 à 14 noeuds. Ces navires ont suffisamment de faisceaux et de tirant d'eau pour recevoir une seule grande hélice et leur capacité de chargement élevée exige une économie maximale de carburant.

Bateaux à cargaison spécialisés (roues, ascenseur lourd, renforcement des glaces)

Les navires roulis et les transporteurs de poids lourds optent souvent pour des propulseurs bivis pour réaliser les manœuvres précises requises pour les rampes arrière et latérales. Les navires cargos renforcés par la glace qui opèrent dans les eaux baltes ou polaires bénéficient également de bivis, car les deux hélices augmentent la capacité de déglaçage et réduisent le risque que les deux hélices soient endommagées par la glace. Les études de l'Agence européenne de la sécurité maritime ont mis en évidence que les brise-glace bivis souffrent moins d'arrêt que les équivalents monovis.

Abordabilité et flexibilité

Pour les armateurs dont le budget est inférieur ou qui commandent à partir de chantiers plus petits, la conception d'un seul équipage peut être la seule option financièrement viable. Cependant, de nombreux contrats modernes incluent une mise à niveau de propulseur de simple à double en tant qu'option de prime, puisque la valeur ajoutée de revente et la flexibilité opérationnelle peuvent compenser l'investissement initial dans les métiers à forte utilisation.

Considérations de conception: Propelleur et train d'alimentation

Diamètre de l'hélice et Revs

Les hélices à vis unique sont physiquement grandes, les diamètres de 7 à 10 m étant communs aux VLCC. Parce qu'elles tournent lentement (60 à 90 RPM), la poussée par unité est faible, ce qui réduit le risque de cavitation. Les hélices à vis jumelées sont plus petites (généralement de 4 à 6 m) et tournent plus vite (90 à 180 RPM).

Transmission et considérations relatives à la boîte de vitesses

Les systèmes à vis simples utilisent généralement un entraînement direct, éliminant ainsi les pertes de boîte de vitesses et améliorant de 1 à 2 % l'efficacité mécanique. Les systèmes à vis doubles nécessitent souvent des rapports de réduction qui correspondent à la vitesse élevée des moteurs diesel à vitesse moyenne au régime de frottement de l'hélice, ce qui entraîne des pertes de frottement.

Systèmes de direction

Les gouvernails à deux roues sont fortement tributaires du gouvernail pour réorienter le lavage de l'hélice. À faible vitesse, l'efficacité du gouvernail diminue, rendant le virage difficile. Les gouvernails à deux roues peuvent diriger par des opérations de poussée différentielle, qui sont efficaces même à vitesse nulle, et de nombreuses conceptions intègrent des gouvernails à deux roues qui sont directement dans le courant de glissement de chaque hélice pour améliorer l'autorité de virage à des vitesses modérées.

Coûts du cycle de vie et coût total de la propriété

Une évaluation globale des systèmes à deux vis par rapport aux systèmes à deux vis exige que l'on tienne compte de plus que de la consommation de carburant. L'augmentation de la propulsion et de la commande entraîne des coûts d'entretien plus élevés pour les boîtes de vitesses, les roulements d'arbre et les commandes. De plus, le nettoyage sous l'eau de deux hélices coûte deux fois plus cher. Par contre, le navire à deux vis peut subir plus de temps d'arrêt si l'hélice est endommagée.

Tendances futures : au-delà de la dichotomie jumelle et de la dichotomie unique

Les propulseurs azimuts (Z-drives) sont de plus en plus courants sur les petits et moyens navires cargos, faisant de chaque navire un -quad-should avec une capacité de poussée de 360 degrés. Les systèmes de propulsion en podde, comme ceux d'ABB ou Siemens, sont installés sur des bateaux de ravitaillement de grande valeur, offrant la maniabilité des bivis avec l'efficacité de carburant d'une seule goupille parce que le diamètre de la goupille peut être optimisé pour la coque. Les entraînements hybrides – combinant une ligne d'arbre unique avec un propulseur azimut rétractable pour manoeuvre portuaire – apparaissent également comme un moyen de capturer le meilleur des deux mondes.

Conclusion

Le choix entre les propulseurs bivis et monovis n'est pas une question d'un supérieur universel; il est fonction du profil opérationnel du navire, de la route commerciale, de la tolérance aux temps d'arrêt et du capital disponible. Les systèmes bivis sont excellents là où la sécurité, la maniabilité et la redondance sont primordiales, surtout dans les conteneurs et les navires à cargaison spécialisés. Les systèmes monovis demeurent la norme pour les vraquiers et les pétroliers où l'économie de carburant et la simplicité des décisions de conduite.