Arbres de systèmes de propulsion marins : examen de l'évolution et des applications technologiques

1. Introduction

est L 'arbre du système de propulsion marin  l'élément central de la centrale électrique d'un navire. En tant que lien de puissance essentiel, il transmet la puissance de sortie du moteur principal à l'hélice ,  et canalise entre-temps la poussée générée de l'hélice vers le navire . L'état opérationnel de ces éléments vitaux du système de propulsion marin a un impact décisif sur l'efficacité de la propulsion d'un navire, la sécurité de la navigation, ainsi que la rentabilité au cours de son cycle de vie.

Avec ( OMI ) telles que EEXI et CII, et la numérisation qui progresse rapidement dans l’ l’application généralisée des règles de décarbonation de l’Organisation maritime internationale industrie du transport maritime, les technologies des systèmes de propulsion marine entrent dans une transition majeure. La propulsion des navires va au-delà du transfert de puissance mécanique conventionnel, vers des solutions plus écologiques, plus intelligentes et plus légères.

De nouveaux développements techniques continuent d'apparaître, ouvrant de nouvelles options pour une conception d'arbres plus efficace. Les principales avancées comprennent :

l Matériaux avancés : application de composites en fibre de carbone et de céramiques techniques.

l Nouvelles structures : configurations innovantes comme la conception Sterntubeless.

l Surveillance de nouvelle génération : déploiement de la technologie des jumeaux numériques et de la détection par fibre optique.

Cet article est une revue systématique des principes essentiels ainsi que des derniers développements en matière d'arbres , aidant les concepteurs techniques et les responsables techniques à accéder à une ressource fiable et approfondie pour des décisions éclairées en matière d'approvisionnement et de spécifications. Les sujets clés incluent :

l Théories de conception de base du système de propulsion marine

l Fonctions et optimisation des pièces critiques du système de propulsion marine

l Intégration de nouvelles applications matériaux

l Méthodologies avancées de contrôle des vibrations

l Surveillance intelligente et tendances de développement des frontières

 

2. Présentation de l'arbre du système de propulsion marin

2.1 Composition et fonction des pièces du système de propulsion marin

Un arbre typique d’un système de propulsion marin se compose des éléments clés suivants :

Non.	Composant	Description de la fonction
1	Arbre de poussée	Transmet la poussée axiale générée par l'hélice à la coque via la butée
2	Arbre intermédiaire	Relie l'arbre de poussée à l'arbre arrière ; plusieurs sections peuvent être utilisées en fonction de la disposition de la salle des machines
3	Arbre arrière/arbre d'hélice	Relie l'arbre intermédiaire à l'hélice ; traverse le tube d'étambot et résiste aux moments de flexion maximaux
4	Palier de butée	Absorbe la poussée axiale ; généralement une butée coulissante de type Michell
5	Roulement intermédiaire	Supporte l'arbre intermédiaire et résiste aux charges radiales
6	Roulement de tube d'étambot	Supporte l'arbre arrière sous l'eau dans les conditions de fonctionnement les plus difficiles
7	Couplage	Relie les sections de l'arbre, transmet le couple et compense les désalignements mineurs de l'installation.
8	Boîte à garniture de cloison	Assure l'étanchéité entre les compartiments, empêchant les fuites d'eau
9	Joint de tube d'étambot	Empêche la pénétration d'eau de mer dans le tube d'étambot et les fuites d'huile du système de lubrification

 

2.2 Flux de travail de conception du système de propulsion marin

La conception d’un arbre de système de propulsion marin est un processus d’ingénierie des systèmes multidisciplinaire. Le flux de travail standard comprend :

1.Sélection du moteur et de l'hélice – Déterminez la puissance nominale, la vitesse de rotation et le rapport de réduction de la boîte de vitesses

2.Estimation préliminaire du diamètre de l'arbre – Utiliser les formules empiriques de la société de classification pour le dimensionnement initial

3.Sélection des matériaux – Équilibrer la résistance, les performances en fatigue, la résistance à la corrosion et le coût

4.Disposition des arbres et positionnement des roulements – Établir les positions axiales et les configurations de support

5.Vérification de la résistance statique – Analyse des contraintes et calculs des facteurs de sécurité

6.Analyse des vibrations – Évaluation des vibrations de torsion, latérales (tourbillonnantes) et longitudinales

7.Calcul de l'alignement des arbres – Déterminez les décalages optimaux des roulements pour garantir que les charges des roulements restent dans les limites autorisées.

8.Évaluation de la résistance à la fatigue – Évaluez la durée de vie en fatigue sous des charges alternées

9.Conception détaillée et approvisionnement en composants – Finaliser les dessins de construction et les spécifications techniques

 

2.3 Défis mécaniques fondamentaux liés à la conception des arbres des systèmes de propulsion marins

· Chargement statique  – contrainte de flexion, contrainte de cisaillement et vérification de la pression spécifique au roulement

· Chargement dynamique – Analyse des vibrations de torsion, des vibrations latérales, des vibrations longitudinales et de l'alignement des arbres

· Comportement en fatigue – Prédiction de la durée de vie en fatigue et évaluation de la propagation des fissures sous chargement cyclique

 

3. Technologies clés dans la conception des arbres des systèmes de propulsion marins

3.1 Technologie d'alignement des arbres

L'alignement des arbres est le facteur le plus critique garantissant un fonctionnement sûr et stable d'un système de propulsion marin . Un mauvais alignement entraîne des températures élevées des roulements, une usure anormale, une augmentation des vibrations et même une rupture de l'arbre.

Évolution des méthodes d’alignement d’arbres :

1^ère génération - Alignement en ligne droite : tous les centres de roulement alignés sur une ligne droite — simple mais inefficace sous la déformation de la coque

2^ème génération - Alignement des charges admissibles : charges de roulement ajustées dans les limites autorisées en modifiant les décalages des roulements

3^{de troisième} génération : - Alignement optimisé utilise des algorithmes d'optimisation pour déterminer les décalages de roulement optimaux en tenant compte des charges, des contraintes de flexion, des angles de roulement et des ouvertures des brides - désormais la norme de l'industrie

4^{de ème} génération : - Alignement dynamique prend en compte la déformation de la coque, la rigidité du film d'huile, les effets thermiques et les charges des vagues pour une optimisation complète des conditions de fonctionnement.

Facteurs d’influence clés :

Facteur	Mécanisme	Contre-mesure
Déformation de la coque	Déviation de la coque due au chargement/déchargement et à l'action des vagues	Analyse globale couplée FEM-arbre
Rigidité du film d'huile de roulement	L'épaisseur et la rigidité du film varient en fonction des conditions de fonctionnement	Modélisation de la lubrification élastohydrodynamique (EHL)
Effets thermiques	La dilatation thermique modifie les décalages des roulements	Jeu à chaud prédéfini + procédure d'alignement à chaud
Hydrodynamique de l'hélice	La poussée excentrique génère des moments de flexion supplémentaires	Calcul couplé incluant les forces d’excitation de l’hélice
Tolérance d'installation	Écarts de construction sur site	Technologie d'alignement laser

 

3.2 Technologie de contrôle des vibrations pour les pièces du système de propulsion marin

(1) Vibrations de torsion

Causé par la pression de combustion cyclique dans les cylindres diesel. Paramètre clé : la contrainte supplémentaire due aux vibrations de torsion ne doit pas dépasser les limites de la société de classification (généralement ±20–30 N/mm⊃2 ;). La plage de vitesse interdite doit éviter les vitesses normales de fonctionnement.

Mesures d'atténuation : amortisseurs de vibrations de torsion (huile silicone/caoutchouc), inertie du volant optimisée et accouplements à haute élasticité.

(2) Vibration latérale (tourbillonnante)

Causé par le déséquilibre de masse de l'hélice, le déséquilibre hydrodynamique et les forces du film d'huile des roulements. Critères de conception : la vitesse critique latérale de premier ordre doit dépasser 120 % de la vitesse de fonctionnement maximale (conception à arbre rigide) ou tomber en dessous de 80 % de la vitesse stable minimale (conception à arbre flexible), avec des intervalles de roulements correctement espacés.

(3) Vibration longitudinale

Causé par la fluctuation de la poussée de l'hélice dans des champs de sillage non uniformes et par l'excitation axiale du moteur diesel — particulièrement importante dans les navires à long arbre. Orientations de recherche pionnières : dynamique couplée butée-coque, amortisseurs de vibrations axiales et technologie de compensation de poussée active.

 

4. Nouveaux matériaux et fabrication avancée pour les pièces du système de propulsion marin

4.1 Arbres de transmission en polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) pour système de propulsion marin

Les arbres de transmission en CFRP représentent l’une des innovations technologiques les plus importantes en matière d’arbres pour systèmes de propulsion marins ces dernières années.

lAvantages techniques : Par rapport aux arbres traditionnels en acier allié, les arbres CFRP offrent :

Densité : 1,55–1,75 g/cm⊃3 ; → 70 à 78 % de réduction de poids

Résistance spécifique : ~900 MPa/(g/cm⊃3 ;) → 5–6× plus élevée que l'acier allié

Facteur d'amortissement : 0,01–0,03 → 10–30× supérieur à l'acier

Expansion thermique : proche de zéro (−0,5 à +0,5 ×10⁻⁶/K) → excellente stabilité thermique

Résistance à la corrosion : résistance naturelle à l'eau de mer – aucun entretien de revêtement protecteur requis

l Conception et fabrication : la technologie de base réside dans la conception de l'empilement de plis — optimisant l'orientation des fibres (combinaisons de stratifiés 0°/±45°/90°) pour répondre aux exigences de transmission de couple, de rigidité à la flexion et de charge axiale. Un processus de fabrication typique combine l'enroulement de fibres et la superposition de préimprégnés . La connexion entre les joints à brides métalliques (alliage de titane ou acier inoxydable) et le corps du tube CFRP constitue un défi crucial. Les méthodes courantes incluent le collage + à verrouillage mécanique + le boulonnage , le collage hybride et l'intégration de co-durcissement.

l Applications actuelles : les arbres CFRP ont été déployés commercialement dans de navires militaires à grande vitesse , les yachts de luxe et les OSV (navires de soutien offshore) . Les prévisions du marché prévoient un TCAC de plus de 15 % pour le marché mondial des arbres d’hélice en CFRP dans les applications maritimes.

CFRP et acier allié — Comparaison des pièces du système de propulsion marin :

Propriété	Arbre en acier allié (40CrNi2MoA)	Arbre d'entraînement en PRFC	Avantage
Densité (g/cm⊃3 ;)	7.85	1,55-1,75	70 à 78 % plus léger
Résistance spécifique (MPa/(g/cm³))	~140	~900	Résistance spécifique 5 à 6 fois supérieure
Module spécifique (GPa/(g/cm³))	~26	~80	~3 fois plus de rigidité spécifique
Facteur d'amortissement	0,001 à 0,002	0,01 à 0,03	10 à 30 fois meilleur amortissement
Expansion thermique (10⁻⁶/K)	~12	−0,5~+0,5 (personnalisable)	Stabilité thermique supérieure
Rapport limite de fatigue/résistance à la traction	0,35-0,50	0,50-0,70	Meilleures performances en fatigue
Résistance à la corrosion par l'eau de mer	Nécessite un revêtement	Résistance naturelle	Sans entretien

 

4.2 Céramiques techniques et revêtements céramiques pour les pièces du système de propulsion marin

L'application de revêtements céramiques sur les surfaces de l'arbre du tube d'étambot améliore considérablement la résistance à l'usure et à la corrosion par l'eau de mer, deux des exigences de performance les plus exigeantes pour les pièces du système de propulsion marine.

Technologies de revêtement clés :

Processus	Caractéristiques	Applications typiques
HVOF (carburant oxygène à haute vitesse)	Haute densité de revêtement, excellente force de liaison	Revêtements WC-Co, Cr₃C₂-NiCr
APS (Pulvérisation Plasma Atmosphérique)	Large compatibilité matérielle	Revêtements céramiques d'oxyde
Revêtement laser	Liaison métallurgique, distorsion thermique minimale	Revêtements composites à base de Ni/Co + particules céramiques
PVD (dépôt physique en phase vapeur)	Ultra fin (<5 μm), ultra haute dureté	Revêtements durs TiN, CrN

 

4.3 Matériaux de roulements lubrifiés à l’eau pour les arbres des systèmes de propulsion marins

Les roulements lubrifiés à l'eau utilisent l'eau comme agent lubrifiant, éliminant ainsi fondamentalement la contamination par l'huile, ce qui représente une orientation technologique fondamentale pour les arbres des systèmes de propulsion marins écologiques.

Matériaux et caractéristiques des roulements lubrifiés à l’eau :

Matériel	Fournisseur typique	Principales fonctionnalités	Limites
Lignum Vitae	Matériau traditionnel	Autolubrification naturelle, excellente compatibilité avec l'eau de mer	Ressources rares, approvisionnement instable
Caoutchouc nitrile (NBR)	Plusieurs fabricants	Faible coût, bonne tolérance aux sédiments	Sujet à la chaleur et à l’usure à grande vitesse
Composite de résine phénolique	Thordon COMPAC	Excellente résistance à l'usure, capacité de charge élevée	Nécessite une grande précision d’usinage
Composite PEEK	Composites CIP	Résistance à l'usure ultra-élevée, performances thermiques exceptionnelles	Coût plus élevé
Thordon (SXL)	Roulements Thordon	Performances supérieures d’autolubrification et de lubrification à l’eau	—

 

4.4 Tendances de développement futures de la technologie des systèmes de propulsion marins

· Conception sans tube d'étambot — Un concept révolutionnaire proposé par la Blue Ocean Alliance : élimination du tube d'étambot traditionnel au profit de roulements lubrifiés à l'eau de mer + connexions à clé conique . Les membres de l'Alliance comprennent ABS, Thordon, SDARI, Wärtsilä et NTUA.

· Composites de nouvelle génération — PEEK renforcé de fibres de carbone, polymères modifiés au graphène et revêtements de roulement microstructurés biomimétiques pour les pièces du système de propulsion marine.

· Surveillance numérique double pour les roulements lubrifiés à l'eau — Surveillance de l'état structurel basée sur des capteurs intégrés ; des recherches pertinentes ont été publiées dans Ocean Engineering en 2026.

 

5. Contrôle des vibrations et du bruit pour les arbres du système de propulsion marin

5.1 Analyse des sources de vibrations dans les arbres des systèmes de propulsion marins

Les principales sources d’excitation entraînant les vibrations de l’arbre du système de propulsion marine comprennent :

1. Forces d'excitation du moteur diesel — Pulsation de couple causée par la pression de combustion périodique du cylindre

2. Forces d'excitation de l'hélice — Pulsations de poussée et de couple générées par des champs de sillage non uniformes (dominés par la fréquence de passage des pales — BPF)

3. Forces de déséquilibre de l'arbre — Déséquilibre rotatif dû aux tolérances de fabrication et d'installation

4. Forces du film d'huile du roulement — Vibrations auto-excitées dues au tourbillon et à l'oscillation du film d'huile.

 

5.2 Stratégies de contrôle des vibrations pour les pièces du système de propulsion marin

Stratégie de contrôle	Mesures spécifiques	Cible de contrôle
Réglage de la fréquence	Ajuster le diamètre de l'arbre, la longueur des segments, l'espacement des roulements	Vitesses critiques
Contrôle de l'amortissement	Amortisseurs à huile de silicone, accouplements à haute élasticité	Vibrations de torsion
Conception d'isolation	Supports de cloisons élastiques, systèmes d'isolation pour radeaux flottants	Voies de transmission du bruit structurel
Contrôle actif	Compensation active de poussée, roulements magnétiques	Vibration longitudinale

 

5.3 Contrôle du bruit rayonné sous-marin pour le système de propulsion marin

Pour les navires militaires et les navires de recherche, le bruit rayonné sous-marin (URN) est un indicateur de performance tactique et technique essentiel. Les mesures de contrôle primaires comprennent :

· Conception d'hélice à faible bruit — Réduit la cavitation de l'hélice et le bruit de fréquence de passage des pales

· Accouplements à amortissement élevé — Minimise la transmission des vibrations de torsion à travers le système de propulsion marin

· Conception d'isolation des paliers de butée — Découple les vibrations de l'arbre de la structure de la coque

· Suppression du bruit de friction des roulements lubrifiés à l'eau — Réduit le bruit auto-généré par les surfaces de roulement

 

 

6. Surveillance intelligente et jumeau numérique pour les pièces du système de propulsion marin

6.1 Systèmes de surveillance de l’état des arbres pour les systèmes de propulsion marins

La surveillance de l’état des systèmes de propulsion marins modernes englobe les paramètres critiques suivants :

Catégorie de paramètre	Paramètre spécifique	Type de capteur
Vibration	Vibration du boîtier de roulement accélération/vitesse/déplacement	Accéléromètres piézoélectriques
Température	Température de fonctionnement de chaque roulement	PT100 RTD / thermocouple
Puissance à l'arbre	Couple d'arbre + vitesse → puissance de sortie	Jauge de contrainte / capteur de puissance à arbre photoélectrique
État de l'huile	Teneur en eau, nombre et taille des particules d'usure	Capteurs de surveillance d'huile en ligne
Position de l'arbre	Orbite centrale de l'arbre, déplacement axial	Capteurs de déplacement à courants de Foucault
Souche	Flexion de l'arbre/déformation de torsion	Jauges de contrainte / capteurs à réseau de Bragg à fibre (FBG)

Un système complet de surveillance de l'état du système de propulsion marine intègre une détection multiparamétrique pour fournir une visibilité en temps réel sur l'état de l'arbre, permettant aux opérateurs de détecter les premiers signes de dégradation, de désalignement ou de surcharge des roulements avant qu'une panne critique ne se produise.

 

6.2 Exigences des sociétés de classification pour la surveillance des systèmes de propulsion marins

Les principales sociétés de classification ont établi des exigences claires en matière de surveillance de l'état des arbres dans les pièces du système de propulsion marin :

ClassNK : Les navires équipés de capteurs de température de roulement doivent effectuer une analyse d'huile tous les 6 mois + une analyse mensuelle de la teneur en eau, ou une analyse d'huile tous les 3 mois. Met en œuvre PSCM (Propeller Shaft Condition Monitoring) le cadre d’approbation

DNV :  En vertu de la réglementation TMON (Tailtree Monitoring) , la surveillance basée sur l'état peut prolonger les intervalles d'inspection de retrait de l'arbre secondaire des 5 ans traditionnels à un maximum de 15 ans.

CCS : Publication de lignes directrices pour l'inspection des systèmes de surveillance de l'état des arbres de propulsion des navires , fournissant un cadre réglementaire pour les navires de construction chinoise

Ces normes de la société de classification démontrent le passage de l'industrie d'une maintenance basée sur le temps à une maintenance basée sur l'état (CBM) pour les arbres des systèmes de propulsion marins, réduisant ainsi les temps d'arrêt tout en améliorant la sécurité.

 

6.3 Cadre de jumeau numérique pour les arbres du système de propulsion marin

La technologie de jumeau numérique du système de propulsion marine adopte une architecture à quatre couches :

· Couche physique  – Réseaux de capteurs et d'arbres de navires réels (capteurs à fibre optique FBG, capteurs de vibrations, de température et d'état de l'huile)

· Couche de données — Acquisition, stockage et prétraitement de données en temps réel (passerelles Edge Computing, bases de données de séries chronologiques)

· Couche modèle — Modèles de simulation couplés multi-physiques (simulation conjointe FEM + BEM + EHL)

· Couche application — Évaluation de l'état, diagnostic des pannes et prédiction de la durée de vie utile restante (RUL) (algorithmes AI/ML, inférence de grand modèle linguistique)

Ce cadre de jumeau numérique à quatre couches permet aux opérateurs de systèmes de propulsion marine de créer une réplique virtuelle de l'arbre physique — mise à jour en permanence avec des données de capteurs en temps réel pour refléter les conditions de fonctionnement réelles, prédire les pannes et optimiser les calendriers de maintenance.

6.4 Scénarios d'application typiques pour le jumeau numérique du système de propulsion marin

La technologie du jumeau numérique offre une valeur mesurable dans les principaux scénarios de maintenance des systèmes de propulsion marin :

Évaluation de l'alignement en temps réel : évaluation continue de l'état de l'alignement des arbres dans diverses conditions de fonctionnement

Prédiction de l'usure des roulements : estimation de la durée de vie utile restante (RUL) des roulements lubrifiés à l'eau et à l'huile

Reconnaissance des défauts CNN/LSTM : identification basée sur l'apprentissage profond des modèles de défauts typiques : déséquilibre, désalignement, défaut de roulement

Maintenance basée sur les conditions (CBM) : prise de décision en matière de maintenance basée sur les données remplaçant la maintenance basée sur le temps (TBM) traditionnelle

Tendance émergente – Grands modèles linguistiques dans la surveillance de la santé structurelle (SHM) :

Une revue de 2025 dans le Chinese Journal of Ship Research souligne comment les grands modèles linguistiques (LLM) entraînent un changement de paradigme dans la surveillance de l’état structurel des systèmes de propulsion marine :

· Fusion de données multimodales — Intégration des données sur les vibrations, la température, l'huile et la déformation pour une évaluation globale de l'état de l'arbre.

· Apprentissage par transfert de défauts zéro-coup/quelques-coups — Adaptation des modèles formés aux nouvelles configurations de navires avec un minimum de données supplémentaires

· Rapports de diagnostic en langage naturel  : génération automatique de rapports d'analyse de pannes lisibles par l'homme à partir des données des capteurs.

· Aide à la décision intelligente en matière de maintenance prédictive  : planification de la maintenance basée sur l'IA et optimisée pour les profils opérationnels des navires

 

7. Schémas typiques de configuration des arbres du système de propulsion marin

7.1 Entraînement direct diesel à basse vitesse — Système de propulsion marin

Navires applicables : grands vraquiers, VLCC (Very Large Crude Carriers), grands porte-conteneurs.

Chaîne de transmission de puissance :

Moteur diesel à deux temps à basse vitesse (50-100 tr/min) → Arbre intermédiaire → Arbre arrière → Hélice à pas fixe (FPP)

Caractéristiques clés :

· Chaîne de transmission la plus courte parmi toutes les configurations de systèmes de propulsion marins

· Efficacité la plus élevée  : l'efficacité de la transmission dépasse 98 %

· Grand diamètre d'arbre — les arbres intermédiaires VLCC peuvent atteindre 600 à 800 mm

· Palier de butée intégré — logé dans le corps principal du moteur

Cette configuration reste le choix dominant pour les grands navires marchands en raison de sa simplicité mécanique et de sa fiabilité éprouvée dans les applications de systèmes de propulsion marine à service continu.

 

7.2 Diesel à vitesse moyenne + réducteur – Pièces du système de propulsion marin

Navires applicables : cargos de petite à moyenne taille, navires de soutien offshore (OSV), ferries.

Chaîne de transmission de puissance :

Moteur diesel à quatre temps à régime moyen (500-1 000 tr/min) → Accouplement à haute élasticité → Réducteur → Arbre intermédiaire → Arbre arrière → Hélice à pas variable (CPP) / Hélice à pas fixe (FPP)

Éléments essentiels de la conception des pièces du système de propulsion marin :

· Une analyse complète des vibrations de torsion est obligatoire : des régimes moteur plus élevés introduisent des modes de vibration complexes

· La sélection d'un accouplement à haute élasticité est essentielle : isole l'excitation de torsion de la transmission

· Le roulement de butée indépendant est généralement configuré séparément de la boîte de vitesses

La configuration diesel à vitesse moyenne + boîte de vitesses offre une plus grande flexibilité dans l'aménagement de la salle des machines et est de plus en plus adoptée dans les navires nécessitant un CPP pour une meilleure maniabilité.

 

7.3 Propulsion hybride diesel-électrique — Système de propulsion marin

Navires applicables : navires d'opérations de service (SOV), navires de soutien offshore (OSV), navires de recherche.

Modes de fonctionnement :

Mode	Flux de puissance
Prise de force (prise de force) mécanique	Moteur Diesel → Boîte de vitesses → Arbre générateur + arbre de propulsion
PTI (prise de puissance) électrique	Groupes électrogènes → Moteur de propulsion → Réducteur → Arbre
Électrique pur	Parc de batteries → Moteur de propulsion → Arbre

 

Caractéristiques de conception des pièces du système de propulsion marin hybride :

· Plusieurs interfaces PTO/PTI nécessitant une gestion sophistiquée de l'alimentation

· Alignement multiconditions et analyse des vibrations  : l'arbre doit fonctionner dans les modes mécanique, électrique et hybride.

· Capacité de couple inverse — l'arbre doit résister à l'inversion de couple pendant les transitions de mode

La propulsion hybride représente un segment en croissance sur le marché des systèmes de propulsion marine, en particulier pour les navires ayant des exigences de positionnement dynamique (DP) et des manœuvres portuaires fréquentes.

 

7.4 Propulsion entièrement électrique — Système de propulsion marin

Navires applicables : ferries électriques, cargos intérieurs, petits bateaux touristiques.

Chaîne de transmission de puissance :

Batterie / Pile à combustible → Onduleur → Moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) → Hélice à entraînement direct

Avantages du système de propulsion marine entièrement électrique :

· Disposition flexible  : les moteurs électriques peuvent être placés à proximité de l'hélice, éliminant ainsi les arbres longs

· Faible bruit — essentiel pour les navires à passagers et les navires de recherche

· Zéro émission (mode électrique pur) – conforme aux objectifs de décarbonation de l'OMI pour 2030/2050

La propulsion entièrement électrique est une orientation technologique clé pour le transport maritime vert et devrait connaître une adoption accélérée dans le transport maritime à courte distance et le transport fluvial.

 

7.5 Disposition optimale des roulements multiples pour les arbres de systèmes de propulsion marins complexes

Pour les formes de coque complexes telles que les destroyers à plusieurs arbres et les catamarans à grande vitesse , le placement empirique traditionnel des roulements est insuffisant. Des algorithmes génétiques (GA) et une optimisation par essaim de particules (PSO) sont utilisés pour optimiser la position des roulements à objectifs multiples, en minimisant les forces de réaction des roulements tout en contrôlant les contraintes de flexion de l'arbre.

Cette méthodologie avancée d'optimisation des roulements a été appliquée avec succès dans la conception de plusieurs arrangements d'arbres de systèmes de propulsion marins pour navires de guerre..

 

8. Perspectives futures de la technologie des systèmes de propulsion marins

8.1 Adoption à grande échelle d’arbres de transmission composites dans les systèmes de propulsion marins

Au cours des 5 à 10 prochaines années , les arbres de transmission en CFRP passeront des applications de démonstration à un déploiement commercial à grande échelle dans les pièces des systèmes de propulsion marins.

Domaines de rupture clés :

· Processus de fabrication d'arbres CFRP de grand diamètre (>400 mm)

· Validation en fatigue sur toute la durée de vie des assemblages métal-CFRP

· Harmonisation et finalisation des codes de conception des sociétés de classification pour les arbres composites

À mesure que les coûts de production diminuent et que les cadres de certification évoluent, les arbres CFRP devraient pénétrer les principaux segments des navires commerciaux au-delà des applications de niche à hautes performances.

 

8.2 Conception de navires sans tube d'étambot pour système de propulsion marin

La Blue Ocean Alliance (BOA) a proposé une conception révolutionnaire de navire sans tube d'étambot pour l'arbre du système de propulsion marin :

· Les roulements lubrifiés à l'eau de mer remplacent les roulements de tube d'étambot lubrifiés à l'huile

· Les connexions à clé conique remplacent l'assemblage de tube d'étambot traditionnel

· Élimination du tube d'étambot traditionnel, du joint arrière et du revêtement de l'arbre

Résultats visés : structure simplifiée, pollution par les hydrocarbures nulle et charge de maintenance réduite – une avancée véritablement perturbatrice pour la conception de systèmes de propulsion marins respectueux de l'environnement.

 

8.3 Exploitation et maintenance autonomes pilotées par l’IA pour les pièces du système de propulsion marin

La maintenance des systèmes de propulsion marins évolue du diagnostic réactif des pannes à la prise de décision autonome et prédictive.

Technologies de base :

· Moteurs de raisonnement diagnostique basés sur le Large Language Model (LLM) — interprétation des erreurs en langage naturel à partir de données multi-capteurs

· Modèles collaboratifs multi-navires basés sur l'apprentissage fédéré  : apprentissage partagé entre les flottes sans compromettre la confidentialité des données.

· Technologie d'alignement adaptatif des arbres — réglage du décalage des roulements en temps réel en fonction des conditions de fonctionnement

Ces technologies d’IA transformeront fondamentalement la façon dont les pièces du système de propulsion marine sont surveillées, entretenues et optimisées tout au long de leur cycle de vie.

 

8.4 Moteurs supraconducteurs et roulements magnétiques pour système de propulsion marin

Moteurs supraconducteurs à haute température (HTS) :

· Réduire considérablement le volume et le poids du moteur de propulsion

· Augmente considérablement la densité de puissance — permettant des arrangements de systèmes de propulsion marins plus compacts

Roulements magnétiques actifs (AMB) :

· Fonctionnement sans contact et sans frottement — pas d'usure mécanique

· Aucune lubrification requise — élimine entièrement les systèmes d'huile

· Contrôle actif en temps réel  : ajuste dynamiquement les forces de roulement pour supprimer les vibrations

· Élimine fondamentalement les problèmes d'usure des roulements et de tourbillonnement du film d'huile dans l'arbre du système de propulsion marin.

 

8.5 Technologie d'arbre pour la propulsion par pile à combustible à hydrogène — Système de propulsion marin

La propulsion par pile à combustible à hydrogène entraînera de profonds changements dans la technologie des arbres des systèmes de propulsion marine :

Propulsion distribuée - Plusieurs petites unités de propulsion remplacent les moteurs principaux uniques à grande poussée

Conception intégrée du propulseur entraîné par jante - Moteur intégré dans le moyeu de l'hélice — aucun arbre traditionnel requis

Changement d’architecture de transmission - Transition d’un arbre long centralisé à un arbre court distribué

Les conceptions de systèmes de propulsion marine alimentés à l’hydrogène donneront la priorité à la modularité, à la compacité et à l’absence d’émissions , remodelant à la fois la configuration des arbres et l’architecture globale du navire.

 

9. Références

[1] Lai Guojun et coll. Progrès de la recherche sur les technologies clés pour la conception de schémas d’arbres de propulsion marine. Journal chinois de recherche sur les navires, 2019.

[2] Recherche de conception sur un composite polymère renforcé de fibres de carbone dans l'arbre de propulsion marine d'un navire militaire. Science et technologie des navires, 2025.

[3] Surveillance de l'état structurel des systèmes de roulements arrière lubrifiés à l'eau basée sur des jumeaux numériques [J]. Génie océanique, 2026.

[4] Yang Zewen et coll. Examen et perspectives des technologies clés pour les systèmes de surveillance de l’état structurel des grands navires basés sur des modèles. Journal chinois de recherche sur les navires, 2025.

[5] Conception d'agencement optimal du système d'arbre de propulsion pour un navire doté de plusieurs paliers de jambe de force. Préimpression SSRN, 2025.

[6] IACS UR M68 – Exigence unifiée pour l’alignement des arbres.

[7] ClasseNK. Systèmes de surveillance de l’état de l’arbre d’hélice.

[8] Roulements Thordon. Systèmes de roulements lubrifiés à l’eau COMPAC.

[9] Alliance Océan Bleu. Concept de conception de navire sans tube arrière.

[10] CSC. Lignes directrices pour l'enquête sur le système de surveillance de l'état des arbres de propulsion maritime.