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Le moteur Stirling

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Le sous-marin SAGA

L’article qui suit est un résumé de l’exposé de messieurs J. Mollard et D. Sauzade lors du colloque ISM 90 des 3, 4et 5 décembre 1990 à Toulon.
Pour lire l’intégralité de cette intervention, cliquez sur ce lien.
Il est difficile aujourd’hui de savoir ce qu’est devenu SAGA, si celui-ci a été exploité et a répondu aux attentes de ses concepteurs.

SAGA, sous-marin à grande autonomie lancé en 1987 par COMEX et IFREMER, est le premier prototype d'une nouvelle génération de sous-marins industriels, capables de réaliser des opérations avec plongeurs ou ROVs à proximité immédiate du site de travail, sans aucune assistance en surface.
Ce sous-marin de 28 mètres,, avec un déplacement en plongée de 550 tonnes a un équipage de 6 personnes et peut intervenir jusqu'à 600 mètres. SAGA comprend un compartiment hyperbare pour 6 plongeurs en saturation.

Son autonomie opérationnelle est d'environ deux semaines, sans faire surface.

Il peut ainsi parcourir en plongée 150 milles nautiques (environ 280 km)

Maquette du sous-marin SAGA

Cette magnifique photo est celle d'une maquette réalisée par un amateur très averti.
Merci à son auteur d'avoir accepté de la publier sur ce site.
D'autres photos sont disponibles en cliquant sur ce lien ou la photo ci-dessus.

Principaux paramètres :

Longueur hors tout : 28,06 m
Largeur hors tout : 7,40 m
Hauteur hors antennes : 8,50 m
Déplacement en surface : 303 T
Tirant d'eau en surface : 3,65 m
Déplacement en plongée : 545 T
Immersion maximale : 600 m
Immersion pour la plongée humaine : 450 m
Générateurs de puissance :
En surface : 1 moteur Diesel HISPANO-SUIZA 175 kW
En immersion : 2 moteurs STIRLING 2 x 75 kW

Stockage de gaz et d'énergie :

Combustible : 6200 1
Stockage cryogénique de l'oxygène : 6500 kg
Air, gaz de plongée et oxygène : 5600 Nm3
Batterie principale : 700 kWh
Energie totale stockée à bord sous forme
électrique et chimique : 10500 kWh

SAGA est équipé de deux moteurs Stirling qui fournissent en plongée la puissance nécessaire à la propulsion et à l'alimentation électrique. Ils produisent également la chaleur utilisée pour le chauffage du compartiment hyperbare ainsi que la protection contre le froid des plongeurs pendant leurs sorties en scaphandre.
Le développement, l'industrialisation et la commercialisation du moteur Stirling pour la propulsion marine, ont été entrepris depuis les années 1970 en Suède par la société United Stirling maintenant intégrée au chantier naval Kockums à Malmo.

CARACTERISTIQUES DES MOTEURS STIRLING DU SOUS-MARIN SAGA :

Moteur Stirling AIP

Gaz de travail : Hélium (130 bars).
Pression de combustion : 22 bars
Vitesse : 2400 tr/mn
Consommation de fuel : 260 g/kWh
Consommation d'oxygène : 980 g/kWh
Puissance maximale sur arbres : 75 kW
Chaleur récupérable sur les gaz de combustion : 18 kW.
Les principaux problèmes de développement ont concerné :
- la tenue mécanique des matériaux soumis à de fortes variations de température.
- l'étanchéité sur des pièces en mouvement vis-à-vis de l'hélium à forte pression (130 bars).
- le contrôle des écoulements complexes des fluides à très haute température (de 200 à 2000 K) dans la chambre de combustion.
- la réalisation d'échangeurs (régénérateurs) à très grande surface d'échange et faible inertie thermique.

Les gaz brûlés, étant à une pression de 22 bars sont évacués directement pour des immersions inférieures à 200 mètres. Au-delà et jusqu'à l'immersion maximale du SAGA (600 mètres), il faut surcomprimer les gaz brûlés et les condensats, ce qui a nécessité la mise au point d'un surpresseur spécifique réalisé par le GIE SAGA.

SAGA est équipé de deux réservoirs cryogéniques situés à l'extérieur de la coque résistante, donnant une capacité totale de 6,5 tonnes. L'oxygène gazeux et sa pressurisation sont obtenus par vaporisation dans des échangeurs chauffés par l'eau de mer ambiante.

La densité gravimétrique du module d'énergie du sous-marin, comprenant le fuel, l'oxygène, les stockages et les deux moteurs Stirling, est environ de 0,25 kilowattheure électrique par kilogramme sans tenir compte de la chaleur récupérée pour les plongeurs. Cette performance est très supérieure à celles des sources électrochimique et comparable à celles des piles à combustible encore en développement.

Le pilotage assisté par ordinateur du SAGA est assuré de deux ensembles distincts.

Le Système de Supervision :

Il s'agit d'un système d'aide à la décision réalisé autour d'un ensemble d'acquisition rapide de données et d'un ordinateur multitâches, multipostes, temps réel, qui gère environ 300 capteurs de natures diverses.
Le système de supervision, qui se présente à l'utilisateur sous forme de deux consoles vidéo, a différentes fonctions.
. Présentation de l'état de marche des installations du bord sous forme de synoptiques (propulsion, stockage de gaz, . . . ).
. Aide à la navigation en gérant les différents équipements du bord
. Aide à la sécurité par la gestion des alarmes, le suivi des paramètres de fonctionnement et le dispositif "homme mort".

Le Système de Régulation d'énergie :

Il gère de façon active l'ensemble des installations du bord concernant l'énergie et la propulsion : moteur Diesel surface, moteurs STIRLING, génératrices électriques, moteurs de propulsion. Il se présente sous forme d'un pupitre de commande et est construit autour d'un automate à micro-processeur industriel. Doté d'actuateurs, il dispose automatiquement les différents équipements gérés selon les ordres du Pilote.
Les essais ont montré que ces systèmes allègent considérablement la tâche de pilotage puisque le sous-marin peut être piloté en transit par une seule personne.

SAGA, avec les moteurs Stirling définitifs équipés du surpresseur d'échappement, a été testé jusqu'à la profondeur de 600 mètres.
Cette configuration a permis d'utiliser le sous-marin dans son domaine opérationnel complet. Il a ainsi été possible de réaliser une saturation complète à moins 300 mètres pour quatre plongeurs et de porter le record mondial d'intervention par plongeurs à partir d'un sous-marin à moins 317 mètres, le 6 mai 1990 au large du Cap Bénat (Var)

PERSPECTIVES

SAGA est à présent disponible pour réaliser une grande variété de travaux sous-marins jusqu'à des profondeurs de 600 mètres, de façon très concurrentielle par rapport aux moyens conventionnels.

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