Componentele sistemului de propulsie

Componentele sistemului de propulsie

1. Definirea puterii de propulsie la bordul navelor

Propulsorul transforma puterea instalata la bordul navei intr-o forta de impingere care antreneaza nava inainte. Împingerea propulsiva este datorata accelerarii fluidului in care lucreaza propulsorul.

Propulsia navei foloseste diferite tipuri de agregate motoare : motoare cu ardere interna, turbine cu abur, turbine cu gaze, masini alternative cu abur, motoare electrice.

Pentru fiecare tip de agregat motor puterea se defineste in mod diferit :

pentru motoarele cu ardere interna se utilizeaza "puterea indicata" (P_I), sau "puterea la flansa" (P_B) ;

pentru turbinele cu abur intalnim "puterea la arbore" (P_S) ;

pentru masinile alternative cu abur se utilizeaza puterea indicata.

Presiunea medie indicata se masoara la cilindru, prin intermediul unui aparat indicator care inregistreaza presiunea gazelor (sau aburului) de-a lungul cursei pistonului. Diagrama indicata a motorului furnizeaza presiunea medie indicata, , care impreuna cu caracteristicile cilindrului si motorului determina puterea indicata.

De exemplu, pentru un motor in doi sau patru timpi puterea indicata a cilindrului se calculeaza cu relatia [29] :

[C.P.] (10.46)

unde D este diametrul cilindrului exprimat in [m], S este cursa pistonului masurata in [m], n este turatia motorului exprimata in rotatii pe secunde [RPS], k este un coeficient (k=1 pentru motor in doi timpi, k = 0,5 pentru motor in patru timpi), iar presiunea medie indicata se masoara in [N/m²]. În conditiile prezentate, puterea indicata se obtine in [C.P.] (1 CP = 0,735 Kw).

Puterea indicata totala a motorului este egala cu suma puterilor indicate ale tuturor cilindrilor.

Puterea la flansa, P_B, se mai numeste putere utila, sau putere efectiva si reprezinta puterea masurata la flansa de cuplare a motorului cu elementul mecanic (reductorul), hidraulic (cuplajul hidraulic), sau electric (generatorul electric). Puterea la flansa se determina pe bancul de proba si este data de relatia :

[C.P.] (10.47)

unde Q_B este momentul de torsiune  la flansa, exprimat in [Nm].

Puterea la arbore, P_S, este puterea transmisa propulsorului prin intermediul arborelui. Se masoara la probele de mare ale navei nou construite, cu ajutorul torsiometrului. Între puterea la arbore si puterea la flansa exista relatia :

(10.48)

unde h_r este randamentul reductorului. Datorita pierderilor de putere din lagarul tubului etambou, puterea livrata la propulsor (elice), numita putere disponibila (P_D), este mai mica decat puterea la arbore si se poate determina cu relatia :

(10.49)

unde h_ax este randamentul liniei de arbori. Pentru nave cu linii de axe lungi, cu compartimentul de masini la centru, h_ax = 0,97. Pentru nave cu linii de axe scurte, cu compartimentul de masini la pupa, h_ax

În fig. 10.6 sunt reprezentate schematic componentele sistemului de propulsie la bordul navei.

Randamentul unei masini este raportul dintre lucrul mecanic util (puterea obtinuta) si lucrul mecanic consumat (puterea consumata).

Puterea utila folosita pentru invingerea rezistentei totale la inaintarea navei, R_t, la o viteza data, v, este puterea efectiva de remorcare, P_E, calculata cu relatia :

. (10.50)

Pentru propulsia cu motoare cu ardere interna randamentul total de propulsie este

. (10.51)

Pentru turbine, randamentul total de propulsie se calculeaza cu relatia

, (10.52)

Se defineste coeficientul cvasipropulsiv, h_D, prin raportul dintre puterea efectiva de remorcare si puterea disponibila :

. (10.53)

2. Tipuri de masini de propulsie

Motorul principal al unei nave trebuie sa indeplineasca o serie de cerinte [32].

În primul rand, motorul trebuie sa realizeze un consum de combustibil cat mai scazut, fapt ce necesita optimizarea intregului sistem de propulsie.

De asemenea, motorul trebuie sa faca fata la variatiile puterii consumate de elice, datorate starii marii, situatiilor diferite de incarcare, sau functionarii in regim tranzitoriu (manevre in port, etc.).

Un motor este proiectat pentru a furniza "puterea maxima continua", notata cu MCR (Maximum Continuos Rating). În timpul functionarii normale, incarcarea motorului nu trebuie sa depaseasca 80%-90% MCR, valoare numita "putere de serviciu", notata cu SR (Service Rating). Pentru perioade scurte, de o ora pana la 12 ore, motorul poate functiona in regim de suprasarcina (OR-Overload rating), depasind puterea maxima continua cu pana la 10%.

Motoarele cu abur sunt primele tipuri de motoare navale de propulsie, inventate inca din anul 1765. Sunt motoare lente si silentioase, care nu produc vibratii. La functionarea in suprasarcina cuplul creste si turatia scade, chiar pana la oprirea motorului. Motoarele cu abur au gabarit mare, masa mare si randament relativ scazut.

Turbina cu abur a fost utilizata pentru prima oara la propulsia navelor in secolul al 19-lea. Prezinta avantajul ca dezvolta cuplu mare la turatie relativ mica. Turbina nu poate functiona si la mars inainte si revers, fiind necesara o turbina speciala pentru mars inapoi.

Pentru a ajunge la turatiile specifice elicelor este necesara utilizarea reductoarelor. S-au utilizat in trecut la navele mari de pasageri, la tancurile de mari dimensiuni si la navele rapide de razboi.

Turbina cu gaze are avantajul producerii puterilor mari, respectandu-se restrictiile dictate de necesitatea protectiei mediului. Combustibilul folosit se caracterizeaza printr-o ardere curata. Turbina cu gaze poate fi utilizata in combinatii cu propulsia electrica, sau cu motoarele Diesel.

Marele dezavantaj al turbinei cu gaze il reprezinta consumul relativ ridicat de combustibil (circa 235 [g/KWh]). Turbina cu gaze este folosita in prezent la propulsia navelor rapide de tip feribot, a navelor de croaziera si a navelor militare mari (port-avioane, distrugatoare, fregate).

Motorul electric nu poate fi considerat inca un motor principal de propulsie navala, datorita problemelor legate de stocarea unor cantitati mari de energie electrica. Motorul electric este utilizat ca motor de propulsie numai in combinatie cu motoare Diesel, sau cu turbine, conectate la generatoare pentru producerea curentului electric la bordul navei.

Motorul electric suporta o suprasarcina considerabila pe timp scurt si una moderata pe timp mai indelungat.

Un factor de risc il reprezinta incalzirea motorului.

Pentru un motor de curent continuu, cuplul creste invers proportional cu turatia.

Generatoarele si motoarele electrice au randamente mari, de circa 0,9, dar in combinatie cu motoarele Diesel randamentul total scade la circa 0,36.

Motorul Diesel

Propulsia cu motoare Diesel pastreaza suprematia in domeniul naval. Motorul cu ardere interna a fost patentat de catre Rudolf Diesel, in anul 1893. Astazi, motoarele Diesel realizeaza puteri maxime pe cilindru de circa 4000 KW, cu un consum de combustibil de aproximativ 165 [g/Kwh] si un randament de pana la 50%.

Pentru proiectantul propulsorului este important sa cunoasca diagrama care prezinta curbele limita ale motorului, din fig. 10.7. Astfel, curba A reprezinta limita inferioara a turatiei arborelui, sub care motorul nu poate functiona fara riscul de a se opri. Curba B corespunde turatiei nominale care nu trebuie depasita decat pentru foarte scurt timp, in conditii de suprasarcina. În caz contrar, se produc solicitari dinamice severe, care duc la uzura rapida a lagarelor. Curba C este puterea corespunzatoare cuplului constant, la consum maxim de combustibil pe ciclu. Curba P este o parabola de gradul 3 ce reprezinta puterea absorbita de elice in functie de turatia axului. Din motive de siguranta nu trebuie depasite limitele curbei C.

Motoarele Diesel mari si lente transmit puterea direct la arborele portelice. Pentru motoarele semirapide si rapide este necesar un reductor de turatie, pentru asigurarea turatiei necesare a elicei. La motoarele Diesel este necesara, de obicei, o singura treapta de reductie, iar randamentul reductorului este cuprins intre 0,985.0,99. Reductoarele au prize de putere pe ax, folosind o parte din puterea furnizata de motorul principal pentru pompe si generatoare pe ax.

3. Modalitati de transmitere a puterii la propulsor

Exista un mare numar de posibilitati si variante pentru aranjamentul motorului, reductorului, elicelor, generatoarelor pe ax si pompelor.

Lista simbolurilor utilizate este prezentata in fig. nr. 10.8.

  Montajul direct al motorului Diesel lent, sau al motoarelor electrice, este prezentat in fig. 10.9. Cuplajele cu axul sunt, de obicei, fixe, dar exista si cazuri in care poate fi avantajoasa folosirea cuplajelor demontabile (la sisteme de doua, sau trei elice, actionate de un singur motor).

Montajul cu reductor este utilizat la cuplarea motoarelor semirapide si rapide, pentru a obtine o turatie redusa la elice, cand aceasta este necesara pentru a avea un randament maxim al propulsorului (fig. 10.10).

Cuplarea a doua motoare Diesel prin intermediul unui reductor este prezentata in fig 10.11. De obicei motoarele sunt semirapide, iar cuplajele folosite trebuie sa fie demontabile (cuplaje mecanice cu frictiune), astfel incat motoarele sa poata fi pornite separat.

Montajul cu generator pe ax (cu priza de putere) este prezentat schematic in fig. 10.12. În locul generatoarelor auxiliare de energie electrica este mai economic sa se foloseasca un generator pe ax, alimentat de la motorul principal prin intermediul reductorului, sau printr-o priza de putere separata. Se recomanda ca propulsia sa fe asigurata de elice cu pas reglabil. Randamentul generatorului pe ax este situat intre 0,90.0,95.

Montajul a doua motoare cu dubla terminatie este prezentat in fig. 10.13 si este specific navelor feribot cu extremitati simetrice. Puterea poate fi distribuita intre elice, sau poate fi absorbita complet de elicea pupa (situatie in care elicea prova se retrage in corpul navei pentru a nu conduce la cresterea rezistentei la inaintare).

Montajul masinii diesel-electrice de propulsie este prezentat in fig. 10.14 si este utilizat la spargatoarele de gheata, datorita caracteristicilor favorabile de cuplu ale motorului electric de curent continuu. Cand elicea are tendinta de a se bloca in gheturi, cuplul motorului electric creste considerabil, iar motorul Diesel poate functiona la putere maxima. Astfel sunt posibile variatii rapide ale puterii disponibile, iar elicea poate fi cu pas fix.

Cuplarea motorului Diesel cu o turbina cu gaz este prezentata in fig. 10.15 si este folosita mai ales la navele militare. Motoarele Diesel sunt folosite in regimul de croaziera, iar turbina, singura sau in combinatie cu motorul Diesel, se utilizeaza la viteza maxima in cursul operatiunilor militare.

4. Tipuri de propulsoare

Navele sunt preponderent echipate cu elice navale. Se cunoaste faptul ca elicea este o portiune dintr-o suprafata elicoidala care se roteste in mediul fluid si genereaza forta de impingere care propulseaza nava.

În fig 10.16 se considera un segment perpendicular pe dreapta AA¢

Daca se roteste in jurul axei AA¢ cu o viteza unghiulara uniforma si in acelasi timp avanseaza de-a lungul axei AA¢ cu o viteza uniforma, atunci genereaza o suprafata elicoidala cu pasul P= AA¢ constant.

În practica proiectarii elicelor navale se utilizeaza si suprafete elicoidale cu pas variabil (radial, axial, sau radial-axial).

Pala elicei navale este alcatuita din doua suprafete elicoidale, la intersectia carora se defineste conturul palei.

Suprafata palei privita din pupa navei se numeste "fata", sau "intrados", iar suprafata care se vede din prova se numeste "spate", sau "extrados".

Daca o elice privita din pupa se roteste in sens orar, atunci este o elice de sens dreapta. La navele cu doua elice, de obicei elicele se rotesc spre exterior. Elicea din tribord este elice dreapta, iar cea din babord este elice stanga.

Geometria elicei (fig. 10.17) este caracterizata prin cativa parametri principali : diametrul elicei (De), diametrul butucului (d), numarul de pale (Z) si pasul (P).

Varful palei este punctul cel mai indepartat de butuc. Cercul descris de varful palei la o rotatie completa se numeste discul elicei.

Bordul de atac este portiunea conturului palei corespunzatoare intrarii curentului de fluid in elice.

Bordul de fuga este portiunea din conturul palei corespunzatoare iesirii curentului de fluid din elice.

Unghiul de "skew" (de intoarcere a palei) se obtine prin deplasarea palei spre inapoi fata de sensul rotatiei elicei.

Unghiul de "rake" este unghiul inclinarii palei in planul xOz.

Desfasurata sectiunii profilului palei se numeste sectiune expandata. Asezand fiecare sectiune expandata la raza ei si unind toate punctele extreme se obtine conturul expandat al palei. (fig. 10.18)

Raportul de disc (expandat) reprezinta raportul dintre aria suprafetei expandate a palelor A_E si aria discului elicei A_D :

. (10.54)

O alta caracteristica de baza a elicei este raportul de pas P/D_e, care reprezinta raportul dintre pasul elicei si diametrul ei.

Numarul de pale Z este un parametru important din punctul de vedere al vibratiilor induse de elice. Un numar mai mare de pale diminueaza posibilitatea aparitiei vibratiilor in bolta pupa, datorita pulsatiilor de presiune mai putin pronuntate.

În general, raportul de disc creste odata cu marirea sarcinii elicei, pentru a evita aparitia fenomenului de cavitatie. În acelasi timp, la o elice cu raport de disc mai mare pierderile energetice datorate frecarii se accentueaza si eficienta elicei scade.

Proiectarea elicei implica analize hidrodinamice complexe, specifice pentru fiecare nava in parte, in scopul optimizarii performantelor hidrodinamice ale propulsorului.

O alta caracteristica importanta a elicei este coeficientul de incarcare, B_p, definit cu ajutorul relatiei :

(10.55)

in care n_e este turatia elicei, masurata in [rot/min], P_D este puterea disponibila exprimata in [h.p.], iar v_A este viteza de avans a fluidului in fata discului elicei, exprimata in [Nd] .

În cadrul calculelor pentru estimarea preliminara a necesarului de putere la bordul navei, se utilizeaza diagramele B_p-d. Coeficientul de avans d este definit cu relatia :

(10.56)

in care diametrul elicei, D_e, se introduce in picioare (1 m = 3,281 ft). În timpul functionarii elicei, in fata discului elicei se creeaza un camp de presiune joasa, iar in spate se produce o contractie a darei de fluid care se accentueaza la cresterea sarcinii hidrodinamice (in regim de remorcaj, de traulere, etc.). În aceste conditii, devine eficienta utilizarea elicelor in duze cu sectiuni longitudinale profilate hidrodinamic. La bordul de atac al duzei apar forte hidrodinamice, orientate ca in fig. 10.19. Componenta axiala T_D reprezinta impingerea duzei, care se adauga la impingerea elicei. Utilizarea duzei se recomanda la elicele greu incarcate, la care coeficientul de incarcare B_p > 30. Daca B_p < 30 cresterea impingerii datorata duzei, este anulata de rezistenta la inaintare a duzei. Împingerea unui sistem elice-duza este cu 15.20% mai mare decat in cazul folosirii elicei libere.

Duza contribuie la uniformizarea siajului prin accelerarea curentului in interiorul ei. În consecinta, se reduce riscul aparitiei cavitatiei si al producerii unor fluctuatii mari de presiune, induse de elice. În orice caz, fluctuatiile de presiune actioneaza numai pe suprafata redusa a interiorului duzei, evitandu-se propagarea vibratiilor pe suprafete extinse ale corpului navei. Daca duza este integrata in corp, ca in cazul remorcherelor maritime mari, pot sa apara totusi probleme de vibratii.

Deoarece optimizarea hidrodinamica a profilului duzei conduce la cresterea costurilor proiectului navei, in practica se utilizeaza profile tipice. Cea mai raspandita profilare o are duza Wageningen 19A, prezentata in fig. 10.20.

Diametrul exterior al duzei este 1,21×D_e. Distanta dintre varful palei si suprafata interioara a duzei trebuie sa fie cat mai mica. Din motive practice, ea nu poate fi mai mica de 0,5 % din diametrul elicei D_e. De obicei, diametrul interior al duzei este 1,01×D_e. Coarda profilului (lungimea duzei) este data de relatia :

. (10.57)

Daca t₀ este grosimea maxima a profilului, iar f₀ este curbura sa, duza Wageningen 19A este caracterizata prin urmatoarele rapoarte :

(10.58)

Propulsorul azimutal reprezinta o categorie speciala de propulsoare, care presupune existenta unei elice (libera, sau in duza) montata pe un postament cu forma hidrodinamica. Elicea poate fi antrenata de un ax vertical prin intermediul unei transmisii cu roti dintate montate in unghi drept (fig.10.21) .

Cu ajutorul unor motoare hidraulice lente propulsorul poate fi rotit cu 360 . O nava propulsata exclusiv cu propulsoare azimutale nu are nevoie de carma, dar trebuie sa posede o stabilitate de drum foarte buna.

Propulsoarele azimutale se folosesc la navele care au nevoie de calitati de manevrabilitate deosebite, sau la cele care trebuie sa-si pastreze pozitia fara ancorare (prin pozitionare dinamica), cum ar fi : navele de aprovizionare, platformele plutitoare de foraj, etc.

Propulsorul Voith-Schneider (fig. 10.22) este cel mai cunoscut propulsor cu ax vertical, fiind alcatuit dintr-un disc rotativ, montat pe fundul navei, care are pe margine mai multe aripioare ce pot fi rotite in jurul axelor proprii, astfel incat o perpendiculara pe coarda profilului aripii sa treaca intotdeauna printr-un punct de control. Acesta poate fi localizat in orice punct din interiorul unui cerc cu raza egala cu 0,9 din raza cercului pe care sunt dispuse aripioarele (fig. 10.23). Pe parcursul unei rotatii complete a discului aripioarele sunt rotite pentru a produce impingere intr-o anumita directie.

Schimband punctul de control, impingerea poate fi orientata pe orice directie orizontala.

Acest tip de propulsor se utilizeaza la nave cu calitati de manevrabilitate superioare (cum ar fi remorcherele si feriboturile) care fac insa curse foarte scurte, randamentul propulsorului fiind mai scazut decat acela al propulsoarelor conventionale.

Propulsorul cu jet consta dintr-un rotor cu pale, care absoarbe apa de pe fundul corpului navei printr-un orificiu si o refuleaza printr-un ajutaj situat la nivelul oglinzii pupa. Forta de reactie propulseaza nava inainte. Guvernarea se realizeaza prin rotirea ajutajului de refulare si orientarea jetului dupa un anumit unghi, iar marsul inapoi prin directionarea jetului spre prova navei. Randamentul propulsorului cu jet este situat intre 0,6.0,7 fiind superior propulsiei clasice. Propulsia cu jet se utilizeaza la navele mici, rapide si asigura o manevrabilitate foarte buna, un nivel scazut de zgomote si vibratii si o functionare corespunzatoare in ape cu adancime limitata.

O alta solutie utilizata in propulsia navelor o constituie elicele contrarotative. Puterea instalata la bord se distribuie pe doua elice montate pe acelasi ax. Solutia se utilizeaza atunci cand spatiul existent in extremitatea pupa nu permite amplasarea unei elice cu diametru optim. Scaderea diametrului elicei ar creste riscul aparitiei cavitatiei si ar conduce la scaderea randamentului elicei.

Elicele contrarotative au diametre mai mici decat diametrul optim al unei singure elice, proiectata sa absoarba aceeasi putere, la aceeasi turatie.

Elicele contrarotative se rotesc in sensuri opuse, pe axe concentrice, pentru ca elicea din spate sa recupereze pierderile de energie datorate rotatiei darei formata de elicea din fata. Diametrul elicei din spate este mai mic, deoarece functioneaza in dara de fluid produsa de cealalta elice, dara care sufera o contractie. Pasul elicei din spate este mai mare deoarece viteza apei in dara este mai mare decat a fluxului de fluid din afara ei. Cele doua elice contrarotative trebuie sa aiba un numar diferit de pale pentru a evita fenomenele de rezonanta si vibratiile. Randamentul elicelor contrarotative este mai bun decat acela al solutiei cu o singura elice, dar mai mic decat in cazul in care puterea se distribuie pe doua elice situate pe linii de axe diferite.