s

el

e

V

P

P

+

s

el

e

L

P

P

+

s

el

e

F

P

P

+

oddawana przez silnik, jest mniejsza od mocy
indykowanej (wewnętrznej). Określa to współczynnik
sprawności mechanicznej silnika

P

e

– moc użyteczna (efektywna) silnika mierzona na

końcówce wału poboru mocy.

Następne straty występują w przekładni i sprzęgle.

Określa to współczynnik sprawności przekładni
(mechanicznej, elektrycznej, hydraulicznej) sprzęgła.

P

w

- moc na wale (mierzona za przekładnią).

Można również dzielić straty w samej przekładni -

η

rp

i w sprzęgle -

η

sp

, wprowadzając sprawność

przekładni i sprawność sprzęgła.
Wówczas:





W przypadku przekładni elektrycznej:

η

g

– sprawność prądnicy (generatora)

η

sc

– spraw siwci elektr

η

sp

– spraw silnika elektrycznego

Z kolei straty w linii wałów (tarcie w łożysku
oporowym, w dławnicach, w łożyskach nośnych, w
łożyskach pochwy i uszczelnieniach wału śrubowego)
ujmuje współczynnik sprawności linii wałów.






P

s

- moc na stożku śruby - pobierana przez śrubę.

Występują również straty napędowe wynikające z
faktu, że tylko część energii dostarczanej na stożek
ś

ruby wykorzystywana jest do wytworzenia siły naporu.

Pozostała jej część zużyta zostaje nieefektownie m.in.
na pokonanie oporów tarcia skrzydeł śruby i nadanie
przyspieszenia wodzie. Określa to współczynnik
sprawności napędowej śruby lub pędnika.






P

h

- moc holowania statku.

Mocą holowania - P

h

nazywamy iloczyn oporu statku

holowanego (bez śruby) R [N] i
prędkości v [m/s].






W przypadku napędu statku ze śrubą, jeśli ma on
poruszać się z prędkością v, śruba musi wytworzyć siłę
naporu T, przy czym:
T

≥≥≥≥

R

Wielkość strat i sprawności rzutuje bezpośrednio
na jednostkowe zużycie paliwa, które jest ilością
paliwa zużytego przez silnik w ciągu l godziny na l
kilowat mocy. Zwykło się używać następujących
oznaczeń dotyczących jednostkowego zużycia paliwa
przez silniki główne w siłowniach okrętowych:

•

b

i

- jednostkowe zużycie paliwa odpowiadające

mocy indykowanej w ciągu godziny [g/kW

⋅

h]

•

b

e

-

jednostkowe

zużycie

paliwa

odpowiadające mocy użytecznej (efektywnej) w ciągu
godziny [g/kW

⋅

h],

•

b

w

-

jednostkowe

zużycie

paliwa

odpowiadające mocy na wale w ciągu godziny
[g/kW

⋅

h].

gdzie:
B

h

- godzinowe zużycie paliwa przez silnik [kg/h],

P

i

- moc indykowana (wewnętrzna) [kW],

P

e

– moc użyteczna (efektywna) [kW],

P

w

- moc na wale [kW].

Sprawność ogólna silnika i jego jednostkowe
zużycie paliwa zależą od typu silnika i jego
rozwiązania konstrukcyjnego. Współzawodnictwo
pomiędzy różnymi rodzajami silników głównych

Ten sposób pomiaru może być obarczony błędem nawet
do ok. 3%.

Podobnie jak o moc, dzielimy moment obrotowy
silnika i wyróżniamy:

•

moment użyteczny,

•

moment na wale,

•

moment na stożku śruby.

Między momentem a mocą oraz prędkością
obrotową zachodzi zależność:

T

tq

– [Nm],

P

e

– [N],

ω

- [rad],

n – [s

-1

].

IV.

WSKAŻNIKI

ENERGETYCZNE

OKRĘTOWYCH NAPĘDÓW GŁÓWNYCH

Stopień wykorzystania energii dostarczonej do
wykonania

pracy

mechanicznej

nazywany

jest

sprawnością.

Sprawność

jest

miernikiem

strat

zachodzących w siłowni jako całości, bądź w
poszczególnych

maszynach

i

urządzeniach

wchodzących w jej skład. Zwykle wyodrębnia się
straty

o

podobnym

charakterze,

nadając

im

odpowiednie nazwy.

Sprawność jest wskaźnikiem energetycznym, a
pośrednio eksploatacyjnym i ekonomicznym, gdyż
stopień wykorzystania energii świadczy o walorach
eksploatacyjnych maszyny i o kosztach jej eksploatacji.

Punktem wyjścia dla określenia sprawności
siłowni okrętowej jest ilość energii Q

p

[kJ] jaką

można by uzyskać z zupełnego i całkowitego spalenia
dostarczonego

paliwa,

przy

czym

z

reguły

przyjmujemy dolną wartość opałową paliwa.

B - ilość spalanego paliwa [kg],
W

d

- dolna wartość opałowa paliwa [J/kg].

Niezależnie od jego rodzaju silnika cieplnego,
przetwarzającego

energię

cieplną

na

energię

mechaniczną, dostarcza się w czynniku roboczym ilość
-

Q

d

energii

cieplnej.

W

wyniku

procesów

termodynamicznych

część

tej

energii

zostanie

zamieniona na energię mechaniczną. Zgodnie z II
zasadą

termodynamiki

sprawność

teoretyczna

(termodynamiczna) tej zamiany wyrazi się wzorem:

L

t

- teoretyczna praca obiegu [Nm],

Q

d

- energia doprowadzana do czynnika

w rzeczywistym obiegu pracy [J].

Przy czym:

Q

ns

– straty cieplne spowodowane

niezupełnym i niecałkowitym spalaniem
paliwa i ewentualną dysocjacją w
cylindrze silnika podczas jednego obiegu
pracy [J].

W przypadku tłokowych silników spalinowych
wielkość

wyżej

wymienionych jest stosunkowo

niewielka i w praktycznych obliczeniach przewważnie
przyjmuje się, że Q

d

= Q

p

Wtedy:

Wskutek nieuniknionych strat wewnętrznych w
silniku cieplnym, część energii zostaje rozproszona
(wymiana

ciepła

z

otoczeniem,

nieszczelności,

zawirowania czynnika roboczego, straty dławienia przy
jego przepływach itp.). Ujmuje to współczynnik
sprawności wewnętrznej (indykowanej).

L

i

– praca indykowana

Straty mechaniczne w silniku, takie jak tarcie w
łożyskach wałów silnika, tarcie w cylindrach itp. oraz
pobór mocy przez mechanizmy zawieszone na silniku
powodują że moc użyteczna (efektywna) silnika,

Stosunkowo często stosowany jest wskaźnik długości
siłowni względem długości statku. Na rys. 1.24
przedstawiono, jak kształtuje się ten wskaźnik dla
statków handlowych o siłowniach spalinowych z
napędem bezpośrednim oraz pośrednim spalinowo-
elektrycznym, dla siłowni na rufie i na śródokręciu.
Przedstawione na tym rysunku zależności mają
charakter tylko orientacyjny, gdyż nie występuje na nim
parametr prędkości statku.

Rys: Możliwości rozmieszczenia różnego rodzaju
siłowni na rufie statku i orientacyjne jej wielkości

napędem

turboparowym

poprzez

przekładnię

elektryczną 70

÷÷÷÷

90 kg/kW,

8.

dla

małych

szybkich

statków

wypornościowych

i

półślizgowych

z

napędem

turbozespołami spalinowymi 3

÷÷÷÷

10 kg/kV,

9.

dla

wodolotów

z

napędem

turbozespołami spalinowymi 2

÷÷÷÷

3 kg/kW,

10.

dla

poduszkowców

z

napędem

turbozespołami spalinowymi 1

÷÷÷÷

1,5 kg/kW.

Wskaźniki te będą nieco większe w razie
uwzględnienia masy płynów w siłowni (bez zapasów),
co stanowi dodatkowo na przykład ok. 4-8% masy
siłowni

suchej

przy

napędzie

silnikami

wolnoobrotowymi i ok. 6-15%, gdy napęd jest pośredni
silnikami średnioobrotowymi.
Natomiast uwzględnienie masy zapasów paliwa,
jakie statek musi zabierać na rejs, w sposób istotny
rzutuje na łączny wskaźnik masy siłowni i zapasów.
Masa zapasów paliwa dla statków o dużym zasięgu
pływania może być większa od masy całej siłowni
suchej. To może powodować zmiany hierarchii
wskaźników różnych rodzajów napędów. Ma to miejsce
np. w przypadku napędu wolnoobrotowymi tłokowymi
silnikami spalinowymi i napędu turboparowego. Na rys.
pokazano, jak układają się względem siebie łączne
wskaźniki masy siłowni oraz zapasy paliwa tych dwóch
rodzajów napędu statków. Sytuacja przedstawia się
odwrotnie niż u dołu rysunku - dla siłowni suchych.
Pomijając nawet aspekt ekonomiczny różnicy kosztów
eksploatacji tych dwóch rodzajów siłowni, mniej
sprawna siłownia turboparowa spala na tyle więcej
paliwa, że dla rejsów dłuższych od ok. dwóch tygodni
konieczność większych zapasów paliwa niweczy cały
zysk ciężarowy siłowni parowych.


















Rys: Zależność wskaźnika łącznej masy siłowni (wraz z
zapasami paliwa) od mocy napędu głównego i czasu
trwania rejsu
TSS - dla siłowni z wolnoobrotowym tłokowym
silnikiem spalinowym,
TSP - dla siłowni z turbiną parową


Na przestrzeni lat w budownictwie okrętowym
obserwuje się ciągłe zmniejszanie się jednostkowych
współczynników masowych silników, mechanizmów,
urządzeń, instalacji i całych siłowni. Pozwoliło to na
koncentrację coraz większych mocy w siłowniach i na
pływanie z większymi prędkościami. To zmniejszenie
mas jednostkowych uzyskiwano poprzez:

•

stosowanie

nowych

materiałów

konstrukcyjnych,

•

dokładniejsze obliczenia wytrzymałościowe,

•

stosowanie nowych konstrukcji elementów i

całych maszyn czy też urządzeń,

•

doskonalenie rozwiązań energetycznych i

utylizację ciepła odpadowego,

•

zwiększanie niezawodności pracy, co prowadzi

do zmniejszenia ilości części zapasowych na statku.


Podczas projektowania statku, już na etapach
początkowych pojawia się konieczność oszacowania
wielkości (objętości, powierzchni i długości) siłowni.
Pomocne

w

tym

są

wskaźniki

objętościowe

(gabarytowe) zwane też wskaźnikami nasycenia
siłowni mocą.
Wskaźniki te zazwyczaj odniesione są do objętości
siłowni V

s

jej powierzchni F

s

, i do długości L

s

. O

długości siłowni decyduje przede wszystkim długość
silnika napędu głównego, o powierzchni dodatkowo
szerokość statku w obrębie siłowni, a o objętości także
wysokość. Wymagana minimalna szerokość i wysokość
siłowni, a tym samym i ewentualne miejsce jej na
statku, zależy głównie od rodzaju napędu.
Na przykład w razie napędu bezpośredniego
siłownia musi być wysoka, gdyż silniki sięgają nawet
powyżej pokładu głównego. Podobna sytuacja może
występować w siłowniach turboparowych z powodu
wysokich kotłów.

Ponieważ o powierzchni, a nawet o długości
siłowni w jakimś stopniu decyduje także wielkość
elektrowni

okrętowej

(niezależnych

zespołów

prądotwórczych), wielkość ta nie może być pomijana.
Najczęściej stosowane wskaźniki gabarytowe mają
postać:

[kW/m

3

]

[kW/m

2

]

[kW/m]

i

e

i

e

m

P

P

L

L

=

=

η

e

w

e

w

r

P

P

L

L

=

=

η

sp

rp

r

η

⋅

η

=

η

w

s

w

s

w

P

P

L

L

=

=

η

s

h

s

h

h

P

P

L

L

=

=

η

v

R

P

h

⋅

=

i

h

i

P

B

b

=

e

h

e

P

B

b

=

w

h

w

P

B

b

=

n

2

P

P

T

e

e

tq

⋅

π

⋅

=

ω

=

d

p

W

B

Q

⋅

=

d

t

t

Q

L

=

η

ns

p

d

Q

Q

Q

−

=

t

i

t

i

i

P

P

L

L

=

=

η

sp

sc

g

re

η

⋅

η

⋅

η

=

η

d

t

t

W

B

L

⋅

≅

η