PROPULSION NAVALE

Divers types

Les machines à vapeur alternatives (à pistons) alimentées en vapeur par des chaudières à charbon puis par des chaudières à mazout sont apparues à la fin du xviii^e siècle (Jouffroy d'Abbans) et au début du xix^e siècle (Fulton). Leur construction a pris fin vers 1950.

Pour les bâtiments de commerce, la propulsion par moteurs Diesel s'est progressivement développée au détriment de la propulsion par chaudière à mazout et turbine à vapeur, en raison des très nombreux avantages qu'elle présente du point de vue du coût de construction, de la consommation de combustible et de la facilité de conduite, et enfin grâce au développement continu des performances des moteurs Diesel, qui leur ont permis d'atteindre des puissances jusqu'alors uniquement réalisables par turbines à vapeur. Aujourd'hui, la propulsion à vapeur n'est plus installée que sur les bâtiments à très forte puissance propulsive ou lorsque la nature de la cargaison fournit une énergie « gratuite » pour alimenter la chaudière (méthaniers).

La préférence des armateurs va aux moteurs Diesel lents (de 100 à 200 tr/min) quand la hauteur de ceux-ci (plus de 10 m) ne constitue pas un inconvénient. Ils sont accouplés directement à l'hélice et brûlent les mêmes combustibles résiduels que les chaudières.

Les moteurs Diesel semi-rapides (de 400 à 500 tr/min) avec réducteurs à rapport de réduction modéré sont très utilisés quand un faible encombrement en hauteur est nécessaire ou intéressant : ferry-boats, cargos à chargement horizontal, porte-conteneurs, etc. Des puissances élevées sont obtenues par accouplement de plusieurs moteurs sur un même réducteur avec des embrayeurs.

Les moteurs Diesel rapides (plus de 1 000 tr/min) sont très utilisés pour la propulsion de petits navires militaires ou civils (caboteurs, bâtiments de pêche, bâtiments de servitude).

Pour les bâtiments de puissance propulsive supérieure à 30 mégawatts environ ou pour certains bâtiments de transport rapide où la masse de l'appareil propulsif est un critère de choix décisif, la turbine à gaz utilisant un réacteur aéronautique a remplacé la propulsion à vapeur classique ou le Diesel.

La turbine à gaz reste souvent associée à un moteur Diesel rapide, plus économique en combustible, le moteur Diesel étant réservé aux vitesses de croisière et la turbine à gaz aux vitesses de pointe. L'apparition de turbines à récupération de rendement comparable à celui des Diesel rapides devrait toutefois réduire l'intérêt de cette association.

La propulsion par turbines à vapeur alimentées par des générateurs nucléaires se limite, dans le domaine civil, à quelques bâtiments (brise-glace)  ; dans le domaine militaire, la propulsion nucléaire reste réservée aux très gros bâtiments (porte-aéronefs en particulier), pour les bâtiments militaires de surface, et aux sous-marins d'attaque ou stratégiques d'un petit nombre de marines qui maîtrisent cette technologie (États-Unis, Russie, Grande-Bretagne et France). Pour les sous-marins, la propulsion nucléaire a apporté un avantage décisif du point de vue de la discrétion ; tous les sous-marins français, par exemple, sont à propulsion nucléaire, mais on continue à construire des sous-marins de plus faible tonnage à propulsion Diesel électrique de coût de revient nettement moindre.

Appareils à vapeur classiques

Dans les appareils à vapeur classiques, un ou plusieurs générateurs produisent de la vapeur sous pression (de 4 à 6 MPa) et surchauffée (de 400 à 500 ⁰C). Le volume d'un foyer peut atteindre plusieurs dizaines de mètres cubes ; la combustion de 1 kilogramme de combustible nécessite environ 17 kilogrammes d'air et produit à peu près 13 kilogrammes de vapeur surchauffée.

La vapeur ainsi produite est dirigée vers une turbine dont la vitesse de rotation varie de 3 000 à 6 000 tr/min.

La vapeur se condense dans un condenseur placé immédiatement sous la turbine à basse pression ; c'est un faisceau tubulaire à plusieurs milliers de tubes traversés par un très gros débit d'eau de mer (environ 60 fois le débit de vapeur). La condensation permet de récupérer une eau dégazée et pratiquement dépourvue de sels qui pourraient corroder les parties chaudes. En outre, une batterie d'extracteurs d'air (« éjectairs ») maintient une très basse pression d'échappement.

L'eau condensée retourne à la chaudière par un tuyautage, grâce à une pompe d'extraction du condenseur, un système de régulation du niveau d'eau à la partie basse du condenseur, un dégazeur, une pompe d'alimentation élevant la pression nettement au-dessus de celle qui existe dans le générateur de vapeur, des réchauffeurs d'eau d'alimentation où l'on récupère la chaleur disponible à l'échappement de certains auxiliaires et un régulateur de débit d'alimentation du générateur de vapeur.

La consommation de combustible des installations à vapeur est de l'ordre de 280 à 450 grammes par kilowattheure selon les installations et la plage de puissance de fonctionnement.

Moteurs Diesel marins

À deux ou à quatre temps, les moteurs Diesel marins sont en général équipés d'un turbocompresseur entraîné par une turbine placée à l'échappement d'un groupe de cylindres (suralimentation). Les fréquences maximales de rotation sont telles que les vitesses moyennes de pistons (double course multipliée par le nombre de tours par seconde) varient de 11 mètres par seconde dans les moteurs rapides à 6,5 mètres par seconde dans les gros moteurs lents.

La puissance massique varie de 25 kilowatts par tonne pour un moteur lent à plus de 200 kilowatts par tonne pour un moteur rapide.

La consommation de combustible des moteurs Diesel est très modérée : de 180 grammes par kilowattheure pour un moteur Diesel lent à 200 grammes par kilowattheure pour un moteur Diesel rapide pour les régimes de marche situés entre la puissance maximale et la moitié de cette puissance. Les gros moteurs lents brûlent couramment du combustible résiduel.

Turbines à gaz

Même si ce sont principalement les grands navires de combat qui sont équipés de ce type de propulsion, l'emploi de la turbine à gaz tend à se répandre dans la marine marchande, en raison de ses avantages en termes de masse et de concept d'entretien (entretien par échange standard de modules, permettant une immobilisation réduite) et des progrès réalisés en matière de rendement. Les turbines à gaz utilisées dérivent alors des turboréacteurs d'aviation par élimination des matériaux sensibles à la corrosion marine. L'énergie des gaz à la sortie du générateur de gaz est transformée en travail mécanique dans la turbine libre, puis transmise à l'hélice par l'intermédiaire d'un réducteur et de la ligne d'arbres.

L'ensemble constitué par la turbine à gaz, son capotage, les liaisons des tubulures d'admission et d'échappement des gaz avec les conduits de la cheminée se présente sous forme d'un module complet. À puissance donnée, cet ensemble est beaucoup plus léger que les autres types de moteurs. Un module de turbine à gaz délivrant 20 mégawatts pèse 30 tonnes environ. Un moteur Diesel semi-rapide de puissance équivalente pèserait dix fois plus. L'encombrement est également plus faible, même si cet avantage est partiellement contrebalancé par le fait que les conduits d'admission et d'échappement d'air dans la cheminée sont très développés. Une turbine à gaz demande en effet un débit d'air trois à quatre fois plus important que les autres types de machines. Une filtration de l'air d'admission est en outre nécessaire pour éliminer les embruns.

On a longtemps considéré comme un obstacle majeur au développement de l'utilisation des turbines à gaz pour la propulsion des navires marchands la consommation spécifique, située entre 260 et 300 grammes par kilowattheure à pleine puissance ; d'autant que cette consommation spécifique augmente sensiblement aux charges partielles. Par exemple, on enregistre une augmentation de 15 à 20 p. 100 à mi-puissance, de 30 à 40 p. 100 au tiers de la puissance et d'à peu près 50 p. 100 au quart de la puissance. De surcroît, le combustible utilisé est relativement onéreux puisqu'on ne peut brûler des fiouls lourds. Cela conduit à prévoir plusieurs machines associées à une même ligne d'arbres de manière à débrayer et à stopper une machine aux faibles allures en vue de charger davantage l'autre. On rencontre indifféremment les trois dispositions suivantes, par ligne d'arbres : soit deux turbines à gaz identiques, soit une turbine à gaz de forte puissance et une de faible puissance, soit une turbine à gaz de forte puissance et un moteur Diesel.

Par ailleurs, l'absence de marche arrière sur les turbines à gaz oblige à installer soit un réducteur-inverseur lourd et encombrant, soit un coupleur inverseur hydraulique, soit une hélice à pales orientables. On peut également installer une transmission électrique, dont le moins bon rendement peut être compensé par l'utilisation des moteurs dans des plages mieux adaptées.

L'entretien des générateurs de gaz est effectué par échange standard à l'issue d'un certain nombre d'heures de fonctionnement (de l'ordre de 5 000 à 15 000).

Plusieurs améliorations contribuent aujourd'hui à améliorer l'économie en carburant des turbines à gaz : températures de fonctionnement plus élevées, rendues possibles par les progrès de la métallurgie ; meilleure optimisation des conditions de fonctionnement, grâce à une modélisation numérique précise de leur fonctionnement ; amélioration du cycle de Carnot par introduction d'un récupérateur sur les gaz d'échappement et d'une réfrigération intermédiaire pour diminuer l'énergie de compression de l'air de combustion (cycle I.C.R. : intercooled recuperated).

Grâce à ces améliorations, la consommation spécifique d'une turbine de 20 mégawatts devrait s'approcher de celle des Diesel semi-rapides sur une large plage de puissance (moins de 200 g/kWh au-dessus de 5 MW pour une turbine de 20 MW), tout en conservant un net avantage du point de vue de la masse (gain de 5 par rapport au Diesel de même puissance).

Les contraintes de pollution aérienne (limitation des taux de NO_x et SO_x émis) pourraient contribuer à promouvoir la turbine à gaz, moins polluante du fait de sa température de combustion moins élevée (réduction du NO_x), l'amélioration de la qualité du carburant requise par la diminution du SO_x réduisant par ailleurs un des intérêts du Diesel (sa capacité à brûler des fiouls lourds peu raffinés).

Appareils nucléaires

Une propulsion nucléaire est une propulsion à vapeur, dans laquelle l'énergie est apportée par une réaction neutronique de fission d'uranium 235 dans un réacteur. L'eau primaire, pressurisée à 10-15 mégapascals pour empêcher son ébullition, est chauffée par les éléments combustibles dans le cœur, et dirigée ensuite vers un générateur de vapeur où se produit l'ébullition de l'eau secondaire. La vapeur ainsi produite est envoyée comme précédemment vers les turbines.

L'installation à bord de navires de chaufferies nucléaires soulève deux difficultés supplémentaires par rapport à celles qui sont rencontrées dans les centrales terrestres. D'une part, la protection radiologique doit être particulièrement poussée pour pouvoir permettre au personnel embarqué de séjourner pendant de longues périodes à proximité du réacteur. D'autre part, des dispositions constructives sont à prendre pour éviter des dégradations importantes de la chaufferie en cas d'abordage ou d'échouage. Dans le cas des bâtiments de surface, des barrières anticollisions sont prévues entre le bordé et la cloison du compartiment de la chaufferie nucléaire.

La propulsion nucléaire est particulièrement intéressante dans le cas des sous-marins, puisqu'il n'est plus nécessaire de remonter en surface, ni même en plongée périscopique, à intervalles réguliers, pour recharger les batteries.

Système propulsif d'un sous-marin classique

Le système propulsif d'un sous-marin est déterminé par les conditions de navigation en plongée, qui excluent la possibilité de faire fonctionner un moteur thermique classique, type Diesel. L'hélice est donc entraînée par un moteur électrique alimenté par une batterie d'accumulateurs. Cette batterie est rechargée, en plongée périscopique généralement, par un groupe Diesel-dynamo ou Diesel-alternateur-redresseur, qui alimente en même temps le moteur électrique de propulsion ; le groupe est lui-même alimenté en air frais grâce à un tube, appelé schnorchel, qui relie l'intérieur du sous-marin à l'atmosphère au-dessus de l'eau

Il faut noter toutefois que des concepts non nucléaires – et donc évitant les risques de radiations ou de prolifération nucléaires – permettant eux aussi de s'affranchir de ces retours vers la surface ont déjà donné lieu, depuis la décennie 1990, à des réalisations : il s'agit de systèmes dans lesquels carburant et comburant sont stockés, offrant ainsi un fonctionnement sans apport d'air extérieur (A.I.P. : air independant propulsion).