Sławomir Kot

Sławomir Kot: Wielki pasjonat żeglarstwa, jachtingu i wszystkiego co się wiąże z wodą. Zdobywca I Nagrody w konkursie na najładniejszego Houseboata. Zdobywca wyróżnienia w konkursie na projekt tramwaju wodnego. Przemierzający własne szlaki, tak w życiu zawodowym jak i prywatnie. Nieznoszący masowej sieczki, lubiący wszystko dogłębnie przemyśleć i zrobić po swojemu, najlepiej jak potrafi. Pragnący podzielić się wiedzą i wywołać dyskusję na najwyższym poziomie. Prezentowane tu opinie, są moimi subiektywnymi opiniami i przemysleniami i absolutnie nie ma obowiązku zgadzania się z nimi.

wtorek, 1 marca 2011

Jak dobrać śrubę napędową jachtu w 5 krokach

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. CB Block coefficient) Współczynnik pełnotliwości liczymy:

CB = / ( LWL* BWL*Hd)  gdzie:

∆ - wyporność w tonach (wraz z załogą, paliwem, bagażem etc.)
LWL – długość wodnicy konstrukcyjnej w metrach przy powyższych warunkach
BWL – szerokość wodnicy konstrukcyjnej w metrach
Hd – zanurzenie w metrach.

Wf=1.11-(0,6* CB) – dla napędu z jedną śrubą
Wf=1.06-(0,4* CB) – dla napędu z dwoma śrubami

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

2.    Ustalamy prędkość napływu na śrubę napędową jachtu.
Va=Wf*V    gdzie:
V – prędkość łodzi w węzłach
Wf – policzona wcześniej procentowa wartość zmniejszenia prędkości wody na rufie kadłuba
Dla przykładu: jeśli mamy łódź płynącą 20 kts, CB =0.6, obliczmy Wf=1.11-(0.6* 0.6)=0,75
Va=0,75*20kts = 15kts.
Jeśli śruba jest dobrze eksponowana pod kadłubem odpowiednio zwiększamy Vpp
3.    Ustalenie obrotów śruby przy maksymalnej prędkości łodzi
Srpm= Erpm/i      gdzie:
Srpm obroty wału w obrotach na minutę
Erpm 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 Srpm będą wynosić 1500 obr/minutę.
4.    Wyznaczenie średnicy śruby napędowej jachtu w zależności od mocy silnika
Podstawowa zalezność to:
                632,7*SHP0,2
D= --------------------------------------
                          Srpm0,6
Gdzie:
D= średnica śruby w calach
SHP = moc na śrubie w koniach mechanicznych. (moc silnika pomniejszona o stratę na przekładni, łożyskach i uszczelnieniu)
Spm= Obroty śruby

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

Dmin= 4,07 (BWL*Hd)0,5   gdzie:
Dmin – minimalna zalecana średnica śruby napędowej w calach
BWL- szerokość wodnicy w stopach (jedna stopa=0,3048 metra)


5.    Wyznaczenie skoku śruby napędowej jachtu
a)      Skok obliczeniowy (teoretyczny)
P0=101.33*Va /Srpm  
gdzie:
P0 skok obliczeniowy w stopach
Va =policzona wcześniej prędkość napływu wody na śrubę
Srpm= 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/V0,57    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.