PĘDNIKI OKRĘTOWE

PĘDNIKI OKRĘTOWE

PĘDNIKI OKRĘTOWE

PĘDNIKI OKRĘTOWE

Pędnik okrętowy

jest to urządzenie przeznaczone do

wytwarzania siły naporu niezbędnej do pokonania
oporu okrętu w celu umożliwienia ruchu okrętu z
określoną prędkością. Pędnik wytwarza siłę naporu w
wyniku doprowadzenia do niego momentu od silnika
napędowego. Aby okręt mógł poruszać się z określoną
prędkością, opór okrętu musi być równoważony przez
sumę

sił

napędzających,

wytwarzanych

przez

wszystkie pędniki zamontowane na okręcie.

Na okrętach stosowane są:

 pędniki hydrauliczne

( śruby okrętowe , pędniki

cykloidalne i pędniki wodnostrumieniowe , podowe,
azymutalne)

 Pędniki powietrzne

( śmigła lotnicze i turbinowe

silniki odrzutowe )

ŚRUBY OKRĘTOWE

ŚRUBY OKRĘTOWE

ŚRUBY OKRĘTOWE

ŚRUBY OKRĘTOWE

Śruby okrętowe są najbardziej rozpowszechnionym rodzajem
pędników na statkach różnych klas oraz dla różnych prędkości
pływania. Elementem roboczym śruby okrętowej są jej skrzydła.
Śruba może posiadać 2 – 6 skrzydeł, przy czym najczęściej stosowane
są śruby 3 – 4 skrzydłowe.
Skrzydła śruby usytuowane są na obwodzie piasty w równej odległości
od siebie. Najczęściej skrzydła śruby i piasta wykonane są jako
jednolity odlew. Stosowane są też śruby, których skrzydła są
przykręcane do piasty oraz tzw. śruby nastawne, dla których istnieje
możliwość zmiany położenia skrzydeł.

Na statkach handlowych stosowana jest zwykle jedna śruba natomiast
na wojennych dwie a nawet trzy czy cztery śruby.
Śruby wykonywane są najczęściej z takich materiałów jak: stal,
mosiądz i brąz.
Najczęściej stosuje się śruby nie obudowane tzw. odkryte, ale niekiedy
szczególnie na holownikach, trałowcach, statkach rybackich śruby
umieszcza się w dyszach lub specjalnych tunelach.

Śruba w dyszy Korta

Śruba w dyszy Korta



Korzyści wynikające z zastosowania dyszy
Korta są duże w razie zainstalowania jej do
wysoko

obciążonych

śrub

statków

poruszających się z małymi prędkościami.
Dysze Korta dają zdecydowaną poprawę
sprawności napędowej przy prędkościach
statku mniejszych niż 10 węzłów. Wzrost
prędkości powoduje znaczny przyrost oporu
własnego dyszy, który niweluje wzrost
sprawności

napędowej.

Dla

małych

prędkości śruba w dyszy wytwarza większy
napór przy tej samej mocy, lub daje taki sam
napór jak śruba bez dyszy, ale przy znacznie
mniejszej mocy, która jest do tego potrzebna.



Zaletami śruby w dyszy Korta są:

- zapewnia stałą i równomierną wartość

naporu podczas holowania;

- zapewnia ochronę przed lodem;
- poprawia stateczność kursową w złych

warunkach hydrometeorologicznych;

- zapewnia stały kierunek dopływu wody do

śruby również w złych warunkach

hydrometeorologicznych, co zapobiega

spadkom sprawności śruby i

nierównomiernej pracy układu

napędowego;

- tłumi kołysanie wzdłużne, wskutek czego

unika się wzrostów oporu kadłuba;



Wady dyszy:

- gorsze właściwości przy ruchu

wstecz;

- gorsza zwrotność statku;



Zastosowanie dyszy obrotowej
zamiast steru znacznie poprawia
zwrotność statku.



Śruby okrętowe o skoku stałym stosowane są
w układach napędowych z silnikami
nawrotnymi, gdzie prędkość i kierunek
(naprzód/wstecz) poruszania się jednostki
regulowana jest prędkością obrotową i
kierunkiem obrotów głównego silnika
napędowego statku.



Śruba nastawna ma możliwość ustawienia kąta
skrzydeł, dzięki czemu zachowując jeden kierunek
obrotów i stałą wartość prędkości obrotowej
silnika głównego, poprzez zmianę jedynie kąta
wychylenia, można płynąć do przodu lub wstecz ze
zmienną prędkością, zaś w przypadku ustawienia
skrzydeł śruby nastawnej w położeniu neutralnym
(zerowym) nie wytwarzają one siły naporu.

Zalety śruby nastawnej

Zalety śruby nastawnej



Wykorzystanie pracy silnika w całym polu

pracy;



Wykorzystanie pełnej mocy silnika w różnych

warunkach pływania;



Możliwość optymalnego sterowania układem

napędowym ze względu na zużycie paliwa;



Możliwość zmiany kierunku siły naporu bez

konieczności zmian kierunku obrotów silnika

głównego;



Uzyskiwanie różnych prędkości statku przy

stałej prędkości obrotowej silnika głównego



Korzystnie wpływają na trwałość
silnika,

ponieważ

eliminują

konieczność

zmiany

kierunku

obrotów wału silnika, szczególnie
niekorzystną

z

powodu

występujących

wówczas

silnie

zmiennych obciążeń cieplnych i
mechanicznych

Pędniki wodnostrumieniowe

Pędniki wodnostrumieniowe

Pędniki wodnostrumieniowe

Pędniki wodnostrumieniowe

Pędnikami

wodnostrumieniowymi nazywa

się

pędniki,

które

zamontowane są wewnątrz

kadłuba okrętu i składają się z

kanałów wodnych oraz pompy i

dyszy

wylotowej.

Woda

zasysana jest przez otwór

usytuowany

w

dnie

i

doprowadzana

do

pomp

kanałem dolotowym. Pompa

zwiększa ciśnienie wody, która

z kolei wyrzucana jest poza

rufowa część kadłuba okrętu

przez

dyszę

(zwiekszenie

prędkości wypływu).

Reakcja strumienia wyrzucanej wody stanowi

siłę napędzającą

pędnika. Stosowane w dnie okrętu wloty wody są zabezpieczane

różnymi siatkami .
Dysza wylotowa pędnika jest z reguły obrotowa co umożliwia

sterowanie okrętu oraz zmianę jego kierunku ruchu z naprzód na

wstecz.

K=m(v

K=m(v

w

w

-v

-v

s

s

)

)

Pędniki cykloidalne "Voith

Pędniki cykloidalne "Voith

Schneider Propeller"

Schneider Propeller"



Pomysł tego niezwykłego układu napędowego

powstał w roku 1926, kiedy to austriacki inżynier

Ernst Schneider projektując turbinę wodną o

nastawnych łopatkach doszedł do wniosku, że

może ona służyć jako pędnik jednostki pływającej.

W dwa lata później zbudowano holownik z

prototypowym napędem, nie posiadający steru,

mogący poruszać się do przodu, do tyłu, na boki, a

nawet obracać się wokół własnej osi dzięki

odpowiedniemu sterowaniu kątem wychylenia

łopatek jego pędnika. Po wielu latach pracy nad tą

konstrukcją, została ona zaakceptowana przez

cały świat.



Do dnia dzisiejszego wyprodukowano
łącznie ok. 5 tysięcy pędników Voith
Schneider stanowiących idealne układy
napędowe dla wszystkich jednostek
pływających, od których wymaga się
najwyższych zdolności manewrowych,
niezawodności, szybkości, precyzji i
bezpieczeństwa w działaniu.

Cechy charakterystyczne

Cechy charakterystyczne

pędników Voith Schneider

pędników Voith Schneider



bezstopniowe sterowanie naporem zarówno pod względem
wielkości jak i kierunku w pełnym zakresie 360o



siła ciągu jest zawsze generowana od wartości zerowej
oraz zmiany w jej kierunku odbywają się zawsze poprzez
zero



dzięki prawie idealnej obrotowej symetrii hydraulicznej,
sprawność pędnika jest taka sama w całym zakresie 360o i
dlatego moc silnika głównego może być wykorzystana
maksymalnie natychmiast w dowolnym kierunku



kierunek siły ciągu zmienia się zgodnie z prostokątnym
układem współrzędnych X i Y - osie te pokrywają się z
głównymi osiami statku

Holownik z pędnikiem Voiht Schneider

Holownik z pędnikiem Voiht Schneider



silnik napędowy może pracować ze stałą lub zmienną

prędkością obrotową optymalnie przystosowaną do

warunków pracy i stałym kierunkiem obrotów w czasie

wszystkich manewrów



prędkość obrotowa pędnika jest bardzo mała, co sprawia,

że konstrukcja jest niezwykle solidna i wytrzymała, a to z

kolei sprawia, że układ napędowy działa niezawodnie i

pewnie nawet w ekstremalnie trudnych warunkach



układ napędowy i sterowanie stanowią jeden wspólny,

inteligentny, a zarazem prosty w obsłudze system



dzięki możliwości usytuowania pędników VSP w części

dziobowej holownika zmieniono rozkład sił działających

na niego w czasie operacji holowania, a tym samym

wyeliminowano niebezpieczeństwo wywrócenia do góry

dnem.

Obszar zastosowań pędników

Obszar zastosowań pędników

Voith Schneider Propeller:

Voith Schneider Propeller:



holowniki typu Voith Water Tractor



holowniki eskortujące



statki ratownicze



statki pożarnicze



jednostki służące do usuwania zanieczyszczeń w

postaci rozlewisk ropy naftowej



dźwigi pływające



stawiacze boi i jednostki przystosowane do

wykonywania szeregu innych prac przybrzeżnych



promy



jednostki do zadań specjalnych (trałowce i wykrywacze

min w służbie marynarki wojennej).

Jednostki z napędem Voiht

Jednostki z napędem Voiht

Schneider

Schneider

[

ŚMIGŁA LOTNICZE

ŚMIGŁA LOTNICZE

Śmigła lotnicze znalazły

zastosowanie na szybkich

okrętach

wojennych,

szczególnie

amfibijnych.

Pędniki te stosuje się

głównie

na

poduszkowcach

i

ekranoplanach.

Śmigła

lotnicze są pędnikiem, w

którym

czynnikiem

roboczym jest powietrze.

Ze względu na gęstość

powietrza

i

zapotrzebowaną

siłę

naporu średnice śmigieł

są duże ( nawet do 6m.).

Może to stwarzać dodatkowe niedogodności dla okrętu z

uwagi na zapewnienie bezpieczeństwa na pokładzie

okrętu oraz pogorszenia właściwości statecznościowych

jednostki. Śmigła są przeważnie czteroskrzydłowe oraz

umieszczone w dyszy, co pozwala na uzyskanie większej

siły naporu oraz sprawności.

Budowa pędnika gondolowego

Budowa pędnika gondolowego

Pędnik azymutalny

Pędnik azymutalny

Koncepcja

pędnika

podwieszanego nie jest nową
konstrukcją. Dużo wcześniej,
bo w roku 1960, na rynek
został wprowadzony pędnik
azymutalny (nazwa angielska
„Azimuth

thruster”

lub

„Azimuth propeller”). Główną
różnicą

pomiędzy

tymi

pędnikami jest lokalizacja
oraz

typ

silnika

napędzającego

śrubę

napędową,

w

pędniku

gondolowym silnik znajduje
się

wewnątrz

gondoli,

natomiast

w

pędniku

azymutalnym silnik napędowy
znajduje

się

w

obrębie

kadłuba i napędza śrubę
napędową przez linię wału i
przekładni o kształcie litery
„Z”

„

„

Azipod” i „Fixipod” firmy

Azipod” i „Fixipod” firmy

ABB

ABB

Firma

ABB

jest

najbardziej

doświadczonym

producentem napędów gondolowych na rynku,
można powiedzieć, że jest prekursorem napędów
gondolowych. Ich produkty „Azipod” i „Fixipod” są
dostępne na rynku już od ponad piętnastu lat.

Dwa pędniki

„Azipod” oraz

pędnik

„Fixipod”

znajdujący się

pośrodku.

Pędnik

Pędnik

„SSP” firm S

„SSP” firm S

iemens

iemens

i

i

Schottel

Schottel

Napęd gondolowy „SSP” firm Schottel i Siemens, w
przeciwieństwie do wyżej opisanych napędów
posiada dużo nowatorskich rozwiązań, które dość
znacznie wpłynęły na większą sprawność całego
układu. Jednym z tych rozwiązań jest zastosowanie
dwóch śrub napędowych, po jednej
na każdym końcu gondoli,
obracających się w tym
samym kierunku.

Pędnik

Pędnik

„DOLPHIN”

„DOLPHIN”

firm

firm

WÄRTSILÄ i SAM Electronics

WÄRTSILÄ i SAM Electronics

Ostatnim z seryjnie produkowanych napędów
gondolowych jest „DOLPHIN” wspólny produkt firm
WÄRTSILÄ i SAM Electronics (STN-ATLAS-Marine).

Budowa pędnika „Dolphin”

Budowa pędnika „Dolphin”

Pędnik „C

Pędnik „C

RPP

RPP

” instytutu

” instytutu

NMRI

NMRI

Typy gondoli oraz śrub

Typy gondoli oraz śrub

napędowych pędników

napędowych pędników

napędowych

napędowych

Gondole pędników produkowane są w trzech

podstawowych modelach:

-  klasycznym,

-  tandemowym,

- CRP.

ZASTOSOWANIE PĘDNIKÓW

ZASTOSOWANIE PĘDNIKÓW

GONDOLOWYCH

GONDOLOWYCH

Statki pasażerskie 43
jednostki

Statki obsługujące

platformy wiertnicze 4

jednostki

Szybkie promy typu Ro-Pax 2
jednostki

Statki naukowo badawcze 3

jednostki

Pędniki różnych typów można porównywać z

uwagi na szereg czynników, np.:



sprawność



masę całkowitą pędnika



rodzaj układu napędowego



hałas generowany przez pędnik



objętość zajmowana przez pędnik i elementy

go napędzające.

Zasada działania śruby

Zasada działania śruby

napędowej

napędowej



Śruba napędowa jest maszyną hydrauliczną, której zadaniem

jest wytworzenie naporu kosztem doprowadzonego momentu

obrotowego



Śruba nadaje masie wody przez nią przepływającej

przyspieszenie w kierunku osiowym i promienistym. Obracanie

strumienia zaśrubowego związane jest ze stratami energii.

Oddziaływanie skrzydeł śruby jest większe przy powierzchni

skrzydeł a mniejsze pomiędzy nimi. Skutkiem tego indukowane

prędkości osiowe i obwodowe nie są równomierne na

obwodzie.



Śruba umieszczona za rufą pracuje w strumieniu wody o

prędkości vp mniejszej niż prędkość kadłuba v. Poruszający się

kadłub powoduje znaczne zaburzenia w otaczającym go

obszarze wody, szczególnie za rufą gdzie znajduje się śruba. Z

kadłubem porusza się warstwa wody, która ma prędkość

największą przy poszyciu. Prędkość jej maleje wraz z

odległością ok. kadłuba.



Śruba okrętowa pracuje z poślizgiem hs i w czasie jednego

obrotu przesuwa się na odległość hp, czyli posuw, który jest

mniejszy od skoku śruby, wtedy śruba wytwarza napór.

ŚRUBA

ŚRUBA

OKRĘTOWA

OKRĘTOWA

GEOMETRIA ŚRUBY

GEOMETRIA ŚRUBY

Skrzydło śruby jest bryłą, utworzoną przez przenikanie się dwóch

powierzchni śrubowych, których linie przenikania wyznaczają

obrys skrzydła. Najbardziej oddalony od osi obrotu punkt nazywa

się wierzchołkiem. Odległość końca skrzydła od osi obrotu równa

jest promieniowi śruby R.
Skrzydło śruby osadzone jest na piaście, której średnica wynosi

d

p

=2r

p

. Różnica l = R – r

p ,

czyli odległość od piasty do

wierzchołka skrzydła nazywa się długością skrzydła. Krawędź

skrzydła, która atakuje wodę w czasie obrotu śruby, nazywa się

krawędzią natarcia, natomiast krawędź przeciwna, krawędzią

spływu.
Powierzchnia skrzydła śruby położona bliżej kadłuba okrętu, na

którą działa podciśnienie, nosi nazwę strony ssącej, zaś

powierzchnia przeciwna, na którą działa nadciśnienie, nosi nazwę

strony cisnącej skrzydła.

W czasie jednego pełnego obrotu śruby, bez uwzględnienia

poślizgu, skrzydło śruby przemieści się na odległość H, którą

nazywa się skokiem śruby.

Poza opisanymi wielkościami śrubę charakteryzują także
inne właściwości jak np.:



b - szerokość skrzydła ;



e – grubość skrzydła ;



S

p

- pole powierzchni rzutu normalnego skrzydeł ;



S

o

- pole powierzchni skrzydeł śruby –

powierzchnia ograniczona obrysem

skrzydła ;



S

o

/ S – współczynnik powierzchni skrzydeł śruby ;



S

p

/ S – współczynnik powierzchni rzutowanej

skrzydeł



H/D – współczynnik skoku ;



e/D – współczynnik grubości skrzydła ;



d

p

- średnica piasty

Profile i kształty

śrub są dość zróżnicowane i zależą głównie

od współczynnika obciążenia, czyli pośrednio od prędkości

okrętu.
Śrubę na rysunku przedstawia się zwykle w dwóch rzutach:

(normalnym, bocznym)

przy czym wykreśla się zawsze tylko

jedno jej skrzydło.
Na rzucie normalnym kreśli się obrys normalnego rzutu i

obrys rozwiniętej powierzchni skrzydła. Na rzucie tym lub

też na osobnym rzucie wykreśla się również obrys

wyprostowanej

powierzchni

skrzydła

i

odpowiednio

zwymiarowane profile skrzydła na różnych promieniach.

Zaznacza się także krzywą największych grubości profili

skrzydła i wymiaruje jej odgięcie na wierzchołku skrzydła.
Na rzucie bocznym, poza obrysem rzutu skrzydła, wykreśla

się tzw. Wzdłużny przekrój skrzydła; jest to przekrój umowny,

otrzymany przez odłożenia od osi skrzydła OC największych

grubości profili skrzydła na danych promieniach. Na rzucie

tym wymiaruje się piastę, największe grubości skrzydła „e”

na kolejnych promieniach, grubość skrzydła „e

w

”przy

wierzchołku, pozorną grubość skrzydła w osi śruby „e

o

” oraz

odchylenie skrzydła przy wierzchołku „m”.

Charakterystyka

Charakterystyka

hydrodynamiczna śruby

hydrodynamiczna śruby

Wpływ wymiarów geometrycznych śruby na jej

Wpływ wymiarów geometrycznych śruby na jej

charakterystyki

charakterystyki

Wpływ wymiarów geometrycznych śruby na jej

Wpływ wymiarów geometrycznych śruby na jej

charakterystyki

charakterystyki

1.Wpływ liczby skrzydeł

Śruby okrętowe w ogólnym przypadku mają od dwóch do

siedmiu skrzydeł. Najczęściej stosowane są śruby trzy lub

czteroskrzydłowe. Śruby dwuskrzydłowe stosowane są na

jachtach i motorówkach, natomiast sześcioskrzydłowe na

statkach ze względu na mniejszy poziom generowanych szumów

oraz duże obciążenie śrub.
Na wybór liczby skrzydeł śruby wpływa nie tylko jej sprawność,

ale także konieczność zapobiegania wibracji kadłuba. Na ilość

skrzydeł ma też wpływ liczba cylindrów silnika głównego.
Na okrętach jednośrubowych o prędkości obrotowej 70 – 150

min

-1

z reguły stosuje się śruby czteroskrzydłowe. Przy

prędkościach obrotowych powyżej 250 min

-1

można stosować

śruby trzyskrzydłowe.
Na okrętach dwu i więcej śrubowych różnica efektywności

pracy pomiędzy śrubami trzy i czteroskrzydłowymi jest

nieznaczna,

szczególnie

przy

małych

i

średnich

współczynnikach obciążenia.
Zastosowanie śrub dwuskrzydłowych na jachtach wynika z tego,

że przy ruchu pod żaglami opór stawiany przez śrubę

dwuskrzydłową jest najmniejszy.

2. Wpływ współczynnika skoku

2. Wpływ współczynnika skoku

Wpływ współczynnika skoku jest ważniejszym parametrem
śrub, mających największy wpływ na ich charakterystyki
hydrodynamiczne. Śruby okrętowe mają współczynnik
skoku H/D w zakresie 0,6 – 2,2. Zwiększenie współczynnika
skoku przy niezmienionych pozostałych charakterystykach
geometrycznych i dla danego współczynnika posuwu J
prowadzi do zwiększenia współczynników naporu K

T

i

momentu K

Q

, a także posuwu zerowego naporu.

Generalnie można powiedzieć, że w miarę wzrostu
współczynnika H/D sprawność maksymalna śruby rośnie i
przesuwa się w kierunku większych współczynników
posuwu. Na pośrednich zakresach większa sprawność mają
śruby o mniejszym współczynniku skoku.

Można wywnioskować z tego że:



Skok śruby należy dobrać dla zakresu pływania, w którym
okręt najczęściej pracuje,



Dla okrętów, które charakteryzują się częstą zmianą
zakresów pracy (

trałowce, holowniki

) należy dobrać śruby

nastawne, których sprawność dla każdych warunków pracy
będzie optymalna.

3. Wpływ współczynnika powierzchni skrzydeł

3. Wpływ współczynnika powierzchni skrzydeł

Wzrost współczynnika powierzchni skrzydeł przy danych

współczynnikach skoku H/D i posuwu J powoduje nieznaczny

wzrost współczynników naporu K i momentu K w wyniku

zwiększenia powierzchni skrzydeł śruby.

Wpływ współczynnika powierzchni skrzydeł na sprawność

śruby przedstawia się następująco:



Przy zwiększeniu S

0

/S w przedziałach 0,35 – 1,1 obniża

sprawność śruby z powodu zwiększenia się tarcia jej

skrzydeł o wodę. Wzrost S/S o 0,1 w przybliżeniu powoduje

spadek sprawności śruby o 1%



Dla dużych współczynników skoku H/D zmiana S

0

/S wpływa

w mniejszym stopniu na zmianę sprawności



Dla śrub czteroskrzydłowych wpływ S

0

/S na sprawność śruby

jest znaczniejszy niż dla śrub trzyskrzydłowych, których

przekroje charakteryzują się mniejszym oporem profilowym.

Niekorzystny wpływ wzrostu współczynnika powierzchni

skrzydeł na sprawność śruby powoduje, że z uwagi na

efektywność pracy śruby. Współczynnik S

0

/S należy dobierać

najmniejszy z tych, które zapewniają normalną pracę śruby.

4. Wpływ zanurzenia śruby.

4. Wpływ zanurzenia śruby.

Wpływ

zanurzenia

śruby

na

jej

charakterystyki

hydrodynamiczne jest szczególnie istotny w przypadku
szybkich okrętów wojennych.
Z uwagi na małe zanurzenia rufy okrętu położenie osi śruby
jest ograniczone kątem pochylenia linii wału, w związku z
czym śruba pracuje w pobliżu swobodnej powierzchni wody.
Pogorszenie charakterystyk hydrodynamicznych śruby przy
zmianie ich zanurzenia wynika z tego, że zmniejsza się pole
przekroju hydraulicznego, istnieje możliwość zasysania
powietrza oraz powstają straty energii na falowanie wody.

Badania modelowe śrub wykazały, że współczynniki naporu
K

T

i momentu K

Q

przy zmniejszeniu względnego zanurzenia

osi śruby h=h

S

/D są mniejsze niż dla nieograniczonej

głębokości wody.
Charakter zmian współczynnika naporu i sprawności dla
śruby o z = 4, H/d = 1,1 i S

o

/S = 0,33 w funkcji

współczynnika posuwu i dla różnych wartości zanurzenia
osi śruby ukazuje poniższy rysunek.

5. Wpływ średnicy śruby

5. Wpływ średnicy śruby

Zanurzenie kadłuba okrętu
ogranicza

możliwość

stosowania

śrub

o

optymalnych

średnicach.

Przyjmuje

się,

że

dla

współczesnych

okrętów

wojennych,

maksymalne

średnice

śrub

powinny

wynosić 0,875 T
( gdzie T – zanurzenie ) dla
jednostek wielośrubowych i
1,0T
dla

jednostek

jednośrubowych.

Dla

jednostek szybkich średnica
śruby

jest

ograniczona

zanurzeniem okrętu oraz
kątem pochylenia linii wału,

który nie powinien być większy niż 13 – 14

o

.

W miarę wzrostu prędkości okrętu zmniejszenie średnicy śruby ma bardzo istotny
wpływ na jej sprawność

Koniec

Koniec