Jak dobrać śrubę napędową jachtu w 5 krokach

Artykuł ten został opublikowany w marcu 2011 roku. Nowa wersja artykułu z liczącym kalkulatorem jest na nowym moim blogu, pod adresem https://skot.design/jak-w-prosty-sposob-dobrac-srube-napedowa-jachtu-lub-lodzi/

Niniejszy algorytm doboru śruby jest tak dobrany, żeby był jeszcze możliwy do policzenia bez specjalistycznego oprogramowania, ale żeby przybliżenia w nim zawarte nie odbiegały zbytnio od prawdy. Należy go traktować jako pierwsze przybliżenie. Algorytm pozwala dobrać średnicę i skok śruby, jako podstawowe parametry.

Byłem świadkiem dyskusji moich uczonych kolegów na temat silników. (mało się przy tym nie pozabijali) Chodziło przy tym tak naprawdę chodziło o 2% zmiany zużycia paliwa, a zapomnieli o śrubie napędowej jachtu.

Widziałem np. silnik przyczepny ze śrubą optymalizowaną do bardzo dużych
prędkości wstawiony w studzienkę do houseboata, gdzie właściciel wieszał psy
na producencie silnika (skąd inąd bardzo dobrego) ale zupełnie nieprzydatnego z taką śrubą do tego celu.

Ja śruby liczę bardzo zaawansowaną metodą, jednak ostatnio jestem na etapie upraszczania wszystkiego co się da. Wyniki są porównywalne, a i tak ten mój uproszczony algorytm pokazuje jak bardzo niektórym udaje się zabłądzić. A więc do rzeczy:

1.    Ustalenie wektora straty prędkości przepływu na rufie jachtu(Wake factor)

Dowolny punkt na łopatce śruby porusza się po linii śrubowej. Gdyby śruba wkręcała się w jakiś stały materiał wielkość ta byłaby niezmienna i wynikała z geometrii śruby. Mnożąc ilość obrotów śruby razy jej skok (posuw) otrzymalibyśmy drogę jaką przebyła śruba, a wraz z nią nasz jacht. W wodzie tak lekko nie ma, gdyż śruba ulega poślizgowi. Są dwa rodzaje strat, wspomniany poślizg (śruba wkręca się w wodę z poślizgiem) oraz fakt, że przepływ wody pod jachtem jest zakłócony (spowolniony) i woda napływa na śrubę z prędkością mniejszą niż prędkość jachtu. Tę stratę musimy policzyć. Wektor tej straty jest uzależniony od współczynnika pełnotliwości w myśl wzoru adm. Taylora. (ang. C_B Block coefficient) Współczynnik pełnotliwości liczymy:

C_B = ∆/ ( L_WL* B_WL*H_d)  gdzie:

∆ - wyporność w tonach (wraz z załogą, paliwem, bagażem etc.)

L_WL – długość wodnicy konstrukcyjnej w metrach przy powyższych warunkach

B_WL – szerokość wodnicy konstrukcyjnej w metrach

H_d – zanurzenie w metrach.

W_f=1.11-(0,6* C_B) – dla napędu z jedną śrubą

W_f=1.06-(0,4* C_B) – dla napędu z dwoma śrubami

W_f oznacza procent prędkości widzianą przez śrubę napędową. Jacht motorowy ze śrubą dobrze eksponowaną pod całym kadłubem powinien mieć bardzo mały W_f., więc nie tylko od współczynnika pełnotliwości ta strata zależy. Dla jachtu motorowego z dobrze eksponowaną śrubą pod całym kadłubem, W_f będzie bliskie 100% o tym należy pamiętać, i wziąć poprawkę, jeśli mamy bardzo dobrze eksponowane śruby.

2.    Ustalamy prędkość napływu na śrubę napędową jachtu.

V_a=W_f*V    gdzie:

V – prędkość łodzi w węzłach

W_f – policzona wcześniej procentowa wartość zmniejszenia prędkości wody na rufie kadłuba

Dla przykładu: jeśli mamy łódź płynącą 20 kts, C_B =0.6, obliczmy W_f=1.11-(0.6* 0.6)=0,75

V_a=0,75*20kts = 15kts.

Jeśli śruba jest dobrze eksponowana pod kadłubem odpowiednio zwiększamy V_pp

3.    Ustalenie obrotów śruby przy maksymalnej prędkości łodzi

S_rpm= E_rpm/i      gdzie:

S_rpm obroty wału w obrotach na minutę

E_rpm obroty silnika w obrotach na minutę przy maksymalnej prędkości łodzi (obroty maksymalne)

i – przełożenie przekładni.

Jeśli obroty maksymalne silnika to 3000 obr/min a przełożenie przekładni wynosi 2, obroty wału S_rpm będą wynosić 1500 obr/minutę.

4.    Wyznaczenie średnicy śruby napędowej jachtu w zależności od mocy silnika

Podstawowa zalezność to:

                632,7*S_HP^0,2

D= --------------------------------------

                          S_rpm^0,6

Gdzie:

D= średnica śruby w calach

S_HP = moc na śrubie w koniach mechanicznych. (moc silnika pomniejszona o stratę na przekładni, łożyskach i uszczelnieniu)

S_pm= Obroty śruby

Tutaj należy dodać uwagę, sposób wyznaczania minimalnej średnicy śruby napędowej:

D_min= 4,07 (B_WL*H_d)^0,5   gdzie:

Dmin – minimalna zalecana średnica śruby napędowej w calach

B_WL- szerokość wodnicy w stopach (jedna stopa=0,3048 metra)

5.    Wyznaczenie skoku śruby napędowej jachtu

a)      Skok obliczeniowy (teoretyczny)

P₀=101.33*V_a /S_rpm  

gdzie:

P₀ skok obliczeniowy w stopach
V_a =policzona wcześniej prędkość napływu wody na śrubę

S_rpm= prędkość obrotowa wału przy maksymalnych obrotach silnika.

b)      Skok rzeczywisty.

Wspomniałem wcześniej, że skok rzeczywisty, w stosunku do skoku lini śrubowej kreślonej przez obracającą się śrubę, wkręcającą się w stały materiał różni się od rzeczywistego w wodzie przez dwa czynniki: woda napływa na śrubę, wolniej niż płynie łódź, gdyż pod kadłubem następują straty zależne od współczynnika pełnotliwości oraz ze względu na poślizg śruby. Skok teoretyczny uwzględnia wektor straty na rufie, a nie uwzględnia poślizgu.

Ostatnią czynnością będzie wyznaczenie poślizgu.

Poślizg liczymy:

S=1.4/V^0,57    gdzie:

S- poślizg

V- prędkość łodzi w węzłach

                Mając wyznaczony poślizg wyznaczamy skok rzeczywisty:

                               P=P₀*(1+S) gdzie:

                P₀ – skok teoretyczny w stopach

                S – poślizg
Aby skok P wyrazić w calach dzielimy wartość obliczoną powyżej pomnozyć przez 12 (12 cali to jedna stopa)

Typowe wartości poślizgu
Typ łodzi, jachtu	Prędkość w węzłach	Poślizg w procentach
Silnik pomocniczy, żaglówki, barki	Poniżej 9	45%
Ciężkie jachty motorowe, łodzie robocze	9-15	26%
Lekkie jachty motorowe, motorówki	15-30	24%
Szybkie jachty ślizgowe	30-45	20%
Ślizgacze wyścigowe z dnem V	45-90	10%
3 punktowe hydro, katamarany	Ponad 90	7%

Jak widać z powyższej tabelki, najtrudniej wprawić w ruch ciężkie i wolne łodzie. W takich przypadkach mamy największy poślizg, a co za tym idzie najmniejszą stratę. Właśnie w tego typu łodziach warto poświęcić czas, energię i pieniądze, aby optymalnie dobrać śrubę, a zwróci się to bardzo szybko.

Podane wzory, algorytm był podany dla najbardziej typowej śruby 3 łopatkowej. Poniższa tabelka przedstawia wzory przeliczeniowe dla śrub 2 i 4 łopatkowych:

Przelicznik na dwu i cztero łopatkowe śruby
	Średnica	Skok (posuw)	Sprawność
Śruba dwułopatkowa	1,05	1,01	1,02
Śruba czterołopatkowa	0,94	0,98	0,96

Przedstawiony algorytm jest kompilacją kilku znalezionych w literaturze. Najbliżej jest mu do 6 punktowego algorytmu zawartego w książce: Boat Data Book, ale w tej książce jest to oparte na wykresach. Ja wolę operować na wzorach, dlatego te zalezności odszukałem i zamieściłem.