EP3169581A1 - Bateau moteur a foils rétractables - Google Patents

Bateau moteur a foils rétractables

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EP3169581A1
EP3169581A1 EP15767249.4A EP15767249A EP3169581A1 EP 3169581 A1 EP3169581 A1 EP 3169581A1 EP 15767249 A EP15767249 A EP 15767249A EP 3169581 A1 EP3169581 A1 EP 3169581A1
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foil
boat
foils
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support
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Jérémie LAGARRIGUE
Jean-Mathieu BOURGEON
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Hydros Innovation SA
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Hydros Innovation SA
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    • B63H20/10—Means enabling trim or tilt, or lifting of the propulsion element when an obstruction is hit; Control of trim or tilt
    • B63H20/106—Means enabling lifting of the propulsion element in a substantially vertical, linearly sliding movement

Definitions

  • the present invention relates to motorized foil boats.
  • US Patent 4,237,810 discloses a motor boat with foils.
  • the position of the foils relative to the load-bearing structure does not vary, whether the boat is at a standstill, moves at low or high speed, that the force of the wind where the height of the waves is pronounced or not.
  • the present invention relates to a motor boat with hybrid foils, that is to say, can navigate in Archimedean configuration or "foil” and change configuration during navigation. See Figure 1.
  • the invention relates more precisely to a motor boat comprising a support structure and at least one foil, defined by a wing and its support, which is disposed under said structure and slidably mounted relative thereto; characterized in that the foil is also mounted to adopt at least two fixed positions, namely a so-called active position in which the foil is lowered and a so-called passive position in which the foil is merged with the bearing structure or fully retracted inside of it.
  • the boat according to the invention comprises the following elements, taken separately or in combination (see FIGS.
  • a carrier device for example delta wing
  • a sliding system of a curved support 4 which allows to move quickly from the passive position to the active position of the foils 4, the latter having to meet the rules of autostability so-called hydrofoils first generation with V foils through 6.
  • a foil retractability system 2 activatable when the boat running, with the incidence of foil 2 relative to the flow that remains substantially identical throughout the action of raising or lowering foils 2.
  • the motor boat according to the invention offers all the advantages of a foil boat (reduction of drag at high speed, improvement of comfort on board in certain sea conditions, maneuverability), its configuration change offers other benefits, including:
  • first generation hydrofoils Similar in all respects to that of a classic boat, without recourse to a dedicated and complex logistics, inherent to the foil boats, and more particularly to V foil boats through, called first generation hydrofoils.
  • the foils can be housed in the hull in the high position, behind a detachment in the hull which also effectively reduces the drag induced by the foils when the boat is in Archimedean configuration 7 (see Figure 4).
  • the foils are guided by two shims adapted in that they allow the passage of rope sails and evolutionary twisting.
  • the mechanical lift system of the foils comprises a screw jack secured to the carrier structure and the foil simultaneously.
  • the rudder hoist system may comprise a screw jack secured to the carrier structure and the foil simultaneously.
  • any other system of up / down (hydraulic cylinders, hoists, racks.) Can be used.
  • the rudders can be rotated about the lateral axis.
  • This system makes it possible to modify the trim of the boat by putting in incidence to stitch or pitch up in an identical way the carrier plans positioned at the bottom of saffron 8, or to modify the roll of the boat by modifying asymmetrically the bearings of port and starboard port 9.
  • pitch control and roll control movements can be coupled to provide a complete response to the dynamic of the desired movement.
  • a gyrocompass can be installed on board to measure pitch and roll. The gyrocompass provides measurement information, which can be transformed into a control command to adjust the rotational positioning of the rudders.
  • a dynamic simulator 10 is used capable of predicting the dynamic behavior and the sea-resistance in all the navigation conditions.
  • This simulator named DPP (Dynamic Performance Prediction) and developed by the applicant, is used upstream to define and optimize the design of the boat (positioning, profiles, characteristics ..). It also provides the parameters needed to configure feedback loops for embedded autopilots.
  • the simulator can be used on-board to provide live script to execute by the controller. In this mode of operation, the simulator is fed by the information from the on-board sensors, and continuously calculates the future states of the boat, which enables it to provide the appropriate instructions to the on-board controls to reach the desired operating state. can be a boat attitude, a performance, tracking a programmed route, a predefined driving mode, etc.
  • the automaton comprises a dynamic solver for transforming the input from the gyrocompass into a rotation control on the rudders.
  • the automaton is then able to predict the evolution of the forces on the boat, and thus incorporate into the control of the controller notions like the geometry of the appendages or the boat.
  • the free-standing geometry of the foils allows the controller to reduce oscillations and reduce the time required to achieve the target state.
  • the dynamic solver solves the equations of motion with six degrees of freedom. These can however be simplified (linearization of the equations) as a function of the performances of the numerical resolution.
  • the numerical scheme will preferably be an adaptive time step scheme, although the resolution performance will adapt this choice and may allow the use of a Runge-Kutta type numerical scheme or other methods of the scientific literature.
  • control command given by the automaton is transmitted to the rudders in the form of hydraulic power.
  • a hydraulic pump converts the electrical control command from the PLC into hydraulic pressure.
  • Cylinders convert the hydraulic power into rotational movement of the rudders and thus ensure the optimization of the behavior of the vehicle.
  • the control mode can also be provided by other means, electric cylinders, racks, etc.
  • the propellant is included in bulbs at the bottom of the rudders 11.
  • the propellant must be permanently immersed, both in archimedean configuration foiler. It must also go back to a high position, ie closer to the supporting structure during the Archimedean configuration to reduce the draft.
  • the propulsion units receive the power supplied by the vehicle engine to the bottom of the rudders.
  • the rudders are movable in vertical translation so that they can be raised to the upper position.
  • an engine p. ex. 12
  • These hydraulic pumps drive the hydraulic power through the rudders by means of flexible hoses 14.
  • the propellant is composed of a hydraulic generator and a propeller. Fig. 6.

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Abstract

Bateau à moteur comprenant une structure porteuse (1) et au moins un foil (2), défini par une aile et son support (4), qui est disposé sous ladite structure et monté coulissant par rapport à celle-ci; caractérisé par le fait que le foil (2) est également monté de manière à adopter au moins deux positions fixes, à savoir une position dite active dans laquelle le foil (2) est abaissé et une position dite passive dans laquelle le foil (2) se confond avec la structure porteuse (1) ou entièrement rétracté à l'intérieur de celle-ci.

Description

BATEAU MOTEUR A FOILS RETRACTABLES
Domaine de l'invention
La présente invention concerne les bateaux motorisés à foils.
Etat de la technique
Le principe consistant à assurer l'équilibrage du poids d'un bateau par un effet de portance hydrodynamique produit par la vitesse de l'eau agissant sur des éléments en forme d'ailes immergées, semi-immergées ou traversant la surface de l'eau, par opposition à la seule utilisation de l'effet archimédien des volumes immergés, est relativement ancien. Dès le début du vingtième siècle il existe des bateaux à moteur équipés de ce genre de dispositif nommé foil. On connaît par ailleurs l'utilisation de foils dans le but de stabiliser en roulis ou en tangage des navires en configuration archimédienne. L'utilisation de foils améliore la performance des bateaux par l'augmentation de la vitesse et/ou la diminution de la consommation énergétique.
Le brevet américain US 4 237 810 divulgue un bateau à moteur doté de foils.
Sur ce bateau, et plus généralement sur les bateaux motorisés à foils, la position des foils par rapport à la structure porteuse ne varie pas, que le bateau soit à l'arrêt, se déplace à faible ou grande vitesse, que la force du vent ou la hauteur des vagues soit prononcée ou non.
D'autres brevets, tels que le brevet américain US 3 241 511, divulguent des principes de bateaux à moteur et à foils avec système de rétractabilité des foils, par coulissement vertical ou par mécanismes divers de rotation. Ces systèmes permettent notamment de réduire relativement l'encombrement et la traînée des appendices lorsqu'ils ne sont pas utilisés.
Les dispositifs de l'état de la technique ne permettent cependant pas de satisfaire deux configurations géométriques distinctes précises, à savoir (i) la coïncidence avec la forme de la coque des foils en position relevée, et (ii) le positionnement des foils en position basse qui permette d'obtenir naturellement Γ autostabilité de l'hydrofoil en vol, que ce soit en roulis ou en tangage. Description de l'invention
La présente invention concerne un bateau à moteur à foils hybride, c'est-à-dire pouvant naviguer en configuration archimédienne ou « foiler » et changer de configuration pendant la navigation. Voir figure 1.
L'invention concerne plus précisément un bateau à moteur comprenant une structure porteuse et au moins un foil, défini par une aile et son support, qui est disposé sous ladite structure et monté coulissant par rapport à celle-ci ; caractérisé par le fait que le foil est également monté de manière à adopter au moins deux positions fixes, à savoir une position dite active dans laquelle le foil est abaissé et une position dite passive dans laquelle le foil est confondu avec la structure porteuse ou entièrement rétracté à l'intérieur de celle-ci.
De préférence, mais pas exclusivement, le bateau selon l'invention comprend les éléments suivants, pris isolément ou en combinaison (cf. figures 2 à 5) :
- Une structure porteuse 1.
- Au moins un foil 2 et un stabilisateur 3, possiblement réunis en un seul dispositif porteur (par exemple voilure delta), disposés sous la structure porteuse 1 et adaptés pour prendre appui sur l'eau de façon à sustenter et à équilibrer la structure porteuse 1 lorsque le bateau se déplace sur l'eau, le foil 2 étant monté coulissant par rapport à la structure porteuse 1 , selon une trajectoire sensiblement perpendiculaire à la face inférieure de la structure porteuse 1, entre d'une part, une position dite active où le foil 2 est abaissé et d'autre part une position passive où le foil 2 est encastré dans la structure porteuse 1.
- Un système de coulissement d'un support incurvé 4 qui permette de passer rapidement de la position passive à la position active des foils 4, cette dernière devant satisfaire les règles d' autostabilité des hydrofoils dits de première génération avec foils en V traversants 6.
- Un système de rétractabilité des foils 2 activable lorsque le bateau en marche, avec l'incidence du foil 2 par rapport à l'écoulement qui reste sensiblement identique tout au long de l'action de montée ou de descente des foils 2.
- Une amélioration du comportement et du confort à bord du bateau par utilisation de systèmes de pilotage et/ou de correction automatique qui agissent selon les paramètres indiqués par un simulateur embarqué, p. ex. du type DPP (Dynamic Performance Prédiction) qui a été développé par la demanderesse. Ce système permet en particulier de simuler le comportement futur du bateau à partir d'une position d'équilibre donnée et d'événements nouveaux (action commande, état de la mer, vent, etc..).
Outre le fait que le bateau à moteur selon l'invention offre tous les avantages d'un bateau à foils (réduction de la traînée à haute vitesse, amélioration du confort à bord dans certaines conditions de mer, maniabilité), son changement de configuration offre d'autres avantages, notamment :
- Diminution du tirant d'eau à l'approche de haut fonds.
- Réduction de la traînée à basse vitesse.
- Diminution de l'encombrement du bateau (notamment la largeur) lors de manœuvres, circulation dans des espaces limités, stockage..
- Prise de quai similaire en tous points à celle d'un bateau classique, sans recours à une logistique dédiée et complexe, inhérente aux bateaux à foils, et plus particulièrement aux bateaux à foils en V traversants, dits hydrofoils de première génération.
- Pas de restriction de condition d'utilisation propre à un hydrofoil dans le sens où le bateau peut à tout moment revenir à une configuration foils rentrés et naviguer de la même manière et avec les mêmes limites qu'un bateau classique de même catégorie.
Les foils peuvent se loger dans la coque en position haute, derrière un décrochement dans la carène qui permet aussi de réduire efficacement la traînée induite par les foils lorsque le bateau est en configuration archimédienne 7 (cf figure 4).
Selon un autre mode de réalisation de l'invention les foils sont guidés par deux cales adaptées en ce qu'elles permettent le passage de voiles de corde et vrillages évolutifs. Avantageusement le système de remontée mécanique des foils comporte un vérin à vis solidaire de structure porteuse et du foil simultanément.
Le système de remontée mécanique des safrans peut comporter un vérin à vis solidaire de structure porteuse et du foil simultanément.
De façon plus générale, tout autre système de montée/descente (vérins hydrauliques, palans, crémaillères. ) peut être utilisé.
Pour améliorer le comportement du bateau et/ou en optimiser les performances, les safrans peuvent être commandés en rotation autour de l'axe latéral. Ce système permet soit de modifier le trim du bateau en mettant en incidence à piquer ou à cabrer de manière identique les plans porteurs positionnés en bas de safran 8, soit de modifier le roulis du bateau en modifiant de façon dissymétrique les incidences des plans porteurs bâbord et tribord 9. Avantageusement, les mouvements de contrôle du tangage et du roulis peuvent être couplés pour apporter une réponse complète à la dynamique du mouvement souhaité. Dans cette configuration, il faut connaître la position du bateau. A cet effet un gyrocompas peut être installé à bord pour mesurer le tangage et le roulis. Le gyrocompas fournit une information de mesure, qui peut être transformée en un ordre de commande pour régler le positionnement en rotation des safrans. Ces opérations peuvent bien évidemment être automatisées 10. (Figure 5).
Dans un autre mode préférentiel de réalisation de l'invention, on utilise un simulateur dynamique 10 capable de prédire le comportement dynamique et la tenue à la mer dans toutes les conditions de navigation. Ce simulateur, nommé DPP (Dynamic Performance Prédiction) et développé par la demanderesse, est utilisé en amont pour définir et optimiser la conception du bateau (positionnements, profils, caractéristiques..). Il permet aussi de fournir les paramètres nécessaires pour configurer les boucles de rétroaction des pilotes automatiques embarqués. Enfin, avantageusement, le simulateur peut être utilisé de manière embarquée afin de fournir en direct le script à exécuter par l'automate. Dans ce mode de fonctionnement, le simulateur est alimenté par les informations issues des capteurs du bord, et calcule en permanence les états futurs du bateau ce qui lui permet de fournir les consignes adéquates aux commandes de bord pour atteindre l'état de fonctionnement souhaité qui peut être une attitude du bateau, une performance, le suivi d'une route programmée, un mode de conduite prédéfini, etc..
De préférence l'automate comprend un solveur dynamique pour transformer l'entrée provenant du gyrocompas en une commande de rotation sur les safrans. L'automate est alors capable de prédire l'évolution des efforts sur le bateau, et ainsi incorporer dans la commande du contrôleur des notions comme la géométrie des appendices ou du bateau. Dans le cas présent, la géométrie autostable des foils permet au contrôleur de diminuer les oscillations et réduire le temps nécessaire pour obtenir l'état ciblé.
Le solveur dynamique résout les équations du mouvement à six degrés de liberté. Celles-ci peuvent toutefois être simplifiées (linéarisation des équations) en fonctions des performances de la résolution numérique. Le schéma numérique sera de préférence un schéma à pas de temps adaptatif, bien que les performances de la résolution adapteront ce choix et pourront permettre l'utilisation d'un schéma numérique de type Runge-Kutta ou autres méthodes de la littérature scientifique.
Les modèles résolvants les efforts doivent s'adapter à l'embarcation contrôlée par l'autopilote, et de ce fait, les géométries du bateau doivent être introduites dans le simulateur à l'aide de fichiers de type fichier CAO ou fichier texte d'un format adapté.
Avantageusement, l'ordre de commande donné par l'automate est transmis aux safrans sous forme de puissance hydraulique. Une pompe hydraulique convertit l'ordre de commande électrique venant de l'automate sous forme de pression hydraulique. Des vérins convertissent la puissance hydraulique en mouvement de rotation des safrans et ainsi assurent l'optimisation de comportement du véhicule. Le mode de commande peut aussi être assuré par d'autres moyens, vérins électriques, crémaillères, etc..
L'appareil propulseur est inclus dans des bulbes au bas des safrans 11. L'appareil propulseur doit être en permanence immergé, tant en configuration archimédienne que foiler. Il doit en outre remonter dans une position haute, c'est-à-dire plus proche de la structure portante lors de la configuration archimédienne pour réduire le tirant d'eau.
Les appareils propulseurs reçoivent la puissance fournit par le moteur du véhicule jusqu'aux bas des safrans. Les safrans sont mobiles en translation verticale de sorte à pouvoir être remontés en position haute. Pour transmettre avantageusement la puissance et assurer le couple nécessaire au décollage du bateau, on installe un moteur, p. ex. thermique 12, couplé à des pompes hydrauliques 13. Ces pompes hydrauliques conduisent la puissance hydraulique au travers des safrans au moyen de tuyaux flexibles 14. L'appareil propulseur est composé d'un générateur hydraulique et d'une hélice. Fig. 6.
D'autres systèmes de transmission de la puissance peuvent aussi être utilisés : hydrojet, arbre d'hélice avec cardans, etc..
Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et illustrés dans le présent document. Elle couvre n'importe quel mécanisme permettant de modifier la position des foils pendant la navigation tel que défini dans les revendications.

Claims

Revendications
1. Bateau à moteur comprenant une structure porteuse (1) et au moins un foil (2), défini par une aile et son support (4), qui est disposé sous ladite structure et monté coulissant par rapport à celle-ci ; caractérisé par le fait que le foil (2) est également monté de manière à adopter au moins deux positions fixes, à savoir une position dite active dans laquelle le foil (2) est abaissé et une position dite passive dans laquelle le foil (2) se confond avec la structure porteuse (1) ou entièrement rétracté à l'intérieur de celle-ci.
2. Bateau à moteur selon la revendication précédente dans lequel le foil (2) est monté coulissant selon une trajectoire incurvée.
3. Bateau à moteur selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait que le foil (2) peut coulisser lorsque le bateau est en mouvement, tout en conservant une orientation constante par rapport à l'écoulement.
4. Bateau à moteur selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'en position passive au moins une partie du support (4) est visible du poste de commande du bateau.
5. Bateau à moteur selon l'une des revendications précédentes comprenant un système automatisé (10) de positionnement du ou des foil(s) (2) en fonction de divers paramètres tels que position actuelle du bateau, actions souhaitées, conditions météorologiques actuelles ou prévues, etc. ..
6. Bateau à moteur selon la revendication 5 dans lequel le système automatisé comprend un simulateur dynamique, p. ex. de type DDP, capable de prédire le comportement dynamique et la tenue à la mer dans toutes les conditions de navigation
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