SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 1
NAP
DY GA
ÓWNE STATKÓW
1. GA
ÓWNY UKA
AD NAP
DOWY STATKU
W skład głównego układu napędowego statku wchodzą następujące mechanizmy i
urządzenia, także zwane głównymi:
1. silniki główne (wysokoprężne tłokowe spalinowe) turbiny parowe, turbozespoły
spalinowe,
2. urządzenia zapewniające realizację obiegu termodynamicznego silników
głównych, (np. w przypadku turbin parowych kotły główne bądz
reaktory jądrowe,
skraplacze główne),
3. sprzęgła (włączanie i wyłączanie napędu linii wałów oraz ewentualna zmiana
kierunku ich obrotów),
4. przekładnia (redukcja prędkości obrotowej) napędu głównego.
5. linie wałów (przekazywanie energii silników głównych do pędników okrętowych),
6. pędniki (śruby okrętowe),
7. urządzenia sterowania i kontroli pracy głównego układu napędowego.
Rys. Podstawowe rodzaje układów napędu głównego statków  schemat mechaniczny i
wykres energetyczny
2. NAP
D GA
ÓWNY BEZPOŚREDNI - ZALETY I WADY
Jeżeli napęd główny zapewnia silnik wolnoobrotowy, wtedy z reguły napęd śruby jest
bezpośredni, a cały układ napędowy przeważnie ogranicza się do jednego zespołu
napędowego zamontowanego w płaszczyz
nie symetrii statku. Występuje tylko jedna śruba
napędowa, a jej obroty są identyczne jak obroty silnika głównego. We współczesnych
siłowniach statków towarowych w ogromnej większości (ok.70%) jest stosowany napęd
bezpośredni wysokoprężnymi tłokowymi silnikami wolnoobrotowymi.
Stosowany jest na statkach różnych typów, różnego przeznaczenia i wielkości, począwszy
od małych jednostek ok. 1500 ton nośności, do największych, rzędu kilkuset tysięcy ton
nośności. Są to doładowane, dwusuwowe silniki nawrotne (rewersyjne), rzędowe, o liczbach
cylindrów od 4 do 16. Z reguły wbudowane są w nich łożyska oporowe.
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 2
Rys. Napęd bezpośredni statku wolnoobrotowym silnikiem tłokowym
Siłownie z napędem głównym wolnoobrotowymi tłokowymi silnikami (napęd śrub
okrętowych bezpośredni), o nominalnych prędkościach obrotowych od ok. 60 do ok. 200
obr/min są współcześnie najczęściej stosowane ze względu na następujące zalety:
" osiągają najwyższe z możliwych sprawności ogólnych,
" przystosowane są do spalania najtańszego paliwa, oleju napędowego ciężkiego,
" prostota konstrukcji i eksploatacji oraz duża żywotność i niezawodność silników, a
tym samym i całego napędu,
" moce wolnoobrotowych tłokowych silników spalinowych napędu głównego sięgają
obecnie do ok. 100000 kW.
Rys. Układ klasyczny  bezpośredni (w przekroju
Wadami tego rodzaju napędu są:
" duże ciężary i objętości (najwyższe wskaz
niki masowe i objętościowe),
" wysoko znajdujący się środek ciężkości silnika, co w przypadku mniejszych statków
może stwarzać kłopoty ze statecznością
" stosunkowo duży koszt budowy siłowni wynikający z konieczności demontażu i
ponownego montażu silnika na statku podczas budowy,
" konieczność budowy wysokiej siłowni, jako że silnik wolnoobrotowy jest wysoki.
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 3
3. NAP
D GA
ÓWNY POŚREDNI - ZALETY I WADY
Jeśli napęd główny stanowi silnik, względnie silniki średnioobrotowe, wtedy w
przypadku dużych statków towarowych napęd śruby (śrub) zawsze jest pośredni poprzez
przekładnie redukujące wielkość obrotów. Są to średnioobrotowe, doładowane,
wysokoprężne silniki spalinowe, przeważnie czterosuwowe o prędkościach obrotowych od
około 400 do ok. 600, a nawet do 1000 obr/min, z możliwością spalania oleju ciężkiego.
Stosowane są silniki rzędowe lub widlaste, a liczba cylindrów wynosi od 6 do 24. Ich masy
jednostkowe mieszczą się w granicach 8-30 kg/kW. Jedną śrubę poprzez przekładnię
napędzają l, 2, 3 lub nawet 4 silniki.
Pomiędzy silnikami a przekładnią mechaniczną instaluje się sprzęgła elastyczne by
chronić przekładnię mechaniczną przed szybkim zużywaniem się wskutek nierówności
momentu obrotowego tłokowych silników spalinowych. Jeśli silników jest więcej niż jeden,
wtedy sprzęgło musi być równocześnie rozłączne, by umożliwić wyłączanie z pracy
poszczególnych silników w razie mniejszego obciążenia śruby, czy też w razie awarii
któregoś z nich.
Rys. Napęd główny statku pośredni
Zmiana kierunku prędkości obrotowej śruby przy tego rodzaju napędzie jest
realizowana dla mniejszych mocy przeważnie przez zastosowanie przekładni nawrotnej
(rewersyjnej) a dokładniej rozłączno-nawrotnej, tzn. z możliwością odłączania
(wysprzęglania) napędu śruby, a następnie uruchomienia jej obrotów w kierunku
przeciwnym, przy niezmiennie pracujących silnikach ciągle w jednym kierunku (silniki nie
nawrotne).
W razie silników dużej mocy także stosuje się silniki nie nawrotne i śruby nastawne.
Ale niekiedy bywa, że stosowane są nawrotne w przypadku śrub o skoku ustalonym (stałym).
Wtedy, jeśli na przekładnię pracuje więcej niż jeden silnik, konieczne jest zabezpieczenie
gwarantujące prędkość obrotową w tym samym kierunku wszystkich silników
zasprzęglonych. Wówczas manewr przejścia na obroty przeciwne jest realizowany poprzez
odłączenie silników od przekładni i przesterowanie ich na ruch obrotowy w odwrotnym
kierunku. Specjalne urządzenie blokujące pozwala na włączenie ponowne do napędu tylko
silników odpowiednio przesterowanych. Jeśli jest stosowana przekładnia elektryczna, zmiana
kierunku obrotów śruby realizowana jest na drodze elektrycznej. Obecnie napęd pośredni
silnikami średnioobrotowymi stanowi ok. 25% mocy napędu wszystkich statków. Procentowy
spadek, w latach osiemdziesiątych, liczby nowo budowanych statków z tego rodzaju napędem
wynika m.in. z faktu póz
niejszego przystosowania silników średnioobrotowych do pracy na
oleju napędowym ciężkim.
Główne zalety napędu pośredniego tłokowymi silnikami spalinowymi poprzez
przekładnię mechaniczną w porównaniu do napędu bezpośredniego stanowią:
" możliwość doboru optymalnej prędkości obrotowej śruby napędowej i tym samym
ewentualne podwyższenie jej sprawności,
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 4
" bardziej ekonomiczna praca układu wielosilnikowego w razie mniejszego
zapotrzebowania mocy dzięki możliwości wyłączania z pracy poszczególnych
silników, tzn. łatwość dostosowania mocy napędu do zmiennych obciążeń;
" możliwość wielowariantowego wykorzystania silników układu napędowego,
" większa gotowość eksploatacyjna; mniejsza masa silników i całej siłowni,
" obniżenie środka ciężkości siłowni, co zwiększa stateczność statku, szczególnie ważne
dla małych statków,
" możliwość znacznego obniżenia siłowni co jest istotne dla statków rybackich, statków
typu ro-ro, promach i statkach pasażerskich,
" możliwość znacznej koncentracji dość dużych mocy przy ograniczonej objętości
siłowni, co pozwala na budowanie jednostek szybkich,
" możliwość uzyskiwania dużej mocy na wale śrubowym poprzez łączenie w jeden
zespół kilku silników,
" duża niezawodność pracy układu napędowego i większa pewność ruchowa oraz
bezpieczeństwo statku nawet w razie uszkodzenia jednego z silników,
" niższy koszt oraz skrócenie czasu montażu siłowni jako że mniejsze silniki napędu
głównego są wstawiane przeważnie w całości,
" łatwiejsze remonty z uwagi na mniejszą masę oraz wymiary elementów i podzespołów
silników.
Rys. Przykład układu dwuśrubowego  dwusilnikowego (siłownia na sródokręciu)
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 5
Jako wady napędu pośredniego w odniesieniu do bezpośredniego należy wymienić:
" gorszą sprawność ogólną samych silników średnioobrotowych, w porównaniu z
wolnoobrotowymi,
" dodatkowe straty w przekładni i w sprzęgłach,
" większą awaryjność w porównaniu z silnikami wolnoobrotowymi,
" mniejszą żywotność oraz większe koszty remontów,
" większe zużycie oleju smarowego (silniki bezwodzikowe),
" wyższy poziom hałasów i drgań,
" trudniejszą obsługę podczas eksploatacji, jako że więcej jest silników,
" czasy pracy tego rodzaju silników do remontu kapitalnego są krótsze niż silników
wolnoobrotowych.
Rys. Przykład układu dwuśrubowego  dwusilnikowego (siłownia na rufie)
Rys. Przykład układu dwuśrubowego  czterosilnikowego (niezależnego)
Na jednostkach specjalnych, gdzie wymagane są większe zdolności manewrowo-
ruchowe, bądz
występują różne warianty obciążenia siłowni, przeważnie stosuje się napęd
pośredni z przekładnią elektryczną (napęd spalinowo-elektryczny). Duża elastyczność
wykorzystania mocy tego rodzaju układu napędowego sprawiła, że jest on stosowany na
lodołamaczach, pogłębiarkach i w ogóle na statkach górnictwa podwodnego, na, promach, a
nawet na statkach rybackich.
Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych współczesnych układów napędu głównego wraz
prądnicami współpracującymi (napędzanymi od silników napędu głównego) przedstawiono w
tabeli.
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 6
Przykłady silników napędu głównego w układach z prądnicami Tabela
Oznaczenia:
4. SPECJALNE UKA
ADY NAP
DOWE Z WOLNOOBROTOWYMI SILNIKAMI
SPALINOWYMI
Napęd bezpośredni statku wolnoobrotowym silnikiem spalinowym ze śrubą o stałym
skoku jest powszechnie stosowany na statkach towarowych ze względu na wysoką sprawność
napędu oraz prostotę i dużą niezawodność działania. Potrzeba budowania
wyspecjalizowanych statków towarowych dla przewozu określonego ładunku:
chemikaliowce, gazowce, zbiornikowce olejowe i dostawcze oraz statków o znacznie
zróżnicowanych potrzebach energetycznych i w różnych stanach eksploatacji.
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 7
Spowodowało to konieczność poszukiwania nowych rozwiązań napędu
bezpośredniego, umożliwiających wykorzystanie silnika głównego jako z
ródła napędu nie
tylko śruby, ale również urządzeń pomocniczych zarówno podczas jazdy w morzu, jak i
postoju w porcie przy własnym wyładunku. Względy bezpieczeństwa statku, w przypadku
awarii silnika głównego, skłaniały również do poszukiwań rozwiązań dla napędu awaryjnego.
Zaistniała, więc potrzeba opracowania nie tylko nowych rozwiązań przekładni pomocniczych,
ale również urządzeń pozwalających na rozłączenie wału śrubowego od silnika głównego.
Firmy, MAN-B&W Diesel A/S oraz RENK opracowały nowe rozwiązania oporowych
sprzęgieł rozłącznych sterowanych hydraulicznie, rozszerzające zakres wykorzystania
głównego układu napędowego. Sprzęgła te, oprócz możliwości załączania i rozłączania,
umożliwiają również przeniesienie siły naporu śruby na łożysko oporowe w niepracującym
silniku.
4.1. WARIANTY PRACY SPECJALNYCH UKA
ADÓW NAP
DOWYCH
Stosując różne rozwiązania przekładni pomocniczych dla wyprowadzenia mocy od
silnika głównego (PTO1) lub wspomagania silnika (PTI2) oraz sprzęgieł rozłączanych i
oporowo rozłącznych, możliwe są do zastosowania następujące warianty układów
napędowych:
4.1.1 Silnik główny napędza śrubę oraz prądnicę poprzez przekładnię
Układ napędowy, w którym silnik główny napędza śrubę i prądnicę wałową, jest
najczęściej stosowanym rozwiązaniem na statkach towarowych (wariant 1). Atrakcyjność
tego rozwiązania zwiększyła się po opracowaniu nowych typów przekładni pomocniczych -
przekładni tunelowych. Na rysunku przedstawiono układ z dwustopniowa przekładnią
tunelową typu SHH II firmy RENK TACKE dla zakresu mocy od 500 do 3500 kW oraz liczb
obrotów: 90 do 200 obr/ min wału śrubowego i odpowiednio 750 do 1800 obr/min prądnicy.
Pierwszy stopień przekładni (przyspieszający) jest skonstruowany jak tunel dla umożliwienia
przejścia wału śrubowego.
Rys. Układ podstawowy z prądnica wałową i przekładnią dwustopniową
Moc do napędu prądnicy jest pobierana albo z koła zamachowego silnika, albo w
dowolnym punkcie linii wałów. Pomiędzy silnikiem a przekładnią musi być sprzęgło
elastyczne, które zabezpiecza koła zębate przekładni przed drganiami skrętnymi
pochodzącymi od silnika głównego. Przekładnia ma własny sztywny fundament, który nie
przenosi żadnych zakłóceń mechanicznych na wał śrubowy i odwrotnie. Układ jest bardzo
zwarty, z krótkim wałem pośrednim podpartym jednym łożyskiem nośnym.
1
Power Take Off
2
Power Take Inn
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 8
4.1.2 Silnik główny współpracuje z śrubą oraz prądnicą (stan pracy silnikowej) lub
turbiną mocy- poprzez przekładnię
" silnik główny napędza bezpośrednio śrubę i jest wspomagany przez prądnicę lub
turbinę mocy (gazową) poprzez przekładnię,
" silnik główny wyłączony - napęd awaryjny statku, czyli napęd śruby od
prądnicy(pracującej jako silnik) lub turbiny,
" silnik główny napędza tylko urządzenia pomocnicze (pompy, prądnice itp.) podczas
postoju w porcie przy zatrzymanej śrubie napędowej.
Warianty podstawowy i 1 są znanymi rozwiązaniami. Wytwórcy silników głównych
oferowali swoje rozwiązania, w których przekładnia była zabudowana na silniku i służyła do
wyprowadzenia mocy do napędu prądnicy lub wprowadzenia mocy (wspomaganie) od
turbiny gazowej napędzanej spalinami wylotowymi z silnika głównego. Rozwiązania te były
drogie i nie znalazły szerszego zastosowania. Opracowanie nowych rozwiązań pomocniczych
przekładni tunelowych z własnym fundamentem pozwoliło na skrócenie układu napędowego
oraz zabezpieczyło przekładnię przed drganiami skrętnymi od silnika. W wariantach 2 i 3
konieczne jest stosowanie sprzęgieł rozłączających silnik od wału śrubowego. Taki układ
napędowy należy klasyfikować jako kombinowany.
4.2. UKA
AD KOMBINOWANY  CHARAKTERYSTYKA KONSTRUKCJI I PRACY
Na statkach, dla których zaleca się stosowanie napędu awaryjnego, układ napędowy
zwykle łączy funkcje przedstawione w wariancie 1, 2 i 3. Wymagało to opracowania bardziej
złożonych konstrukcji przekładni tunelowych oraz specjalnych oporowych sprzęgieł
rozłącznych. Sprzęgła te są zamontowane pomiędzy silnikiem a przekładnią. Przykład takiego
rozwiązania, proponowanego przez firmę MAN-B&W Diesel A/S z nowym sprzęgłem Alpha
Clutcher, przedstawiono na rysunkach poniżej. Podczas jazdy w morzu silnik dostarcza moc
bezpośrednio do wału śrubowego poprzez oporowe sprzęgło rozłączne (sprzęgło w pozycji
załączonej). Moc do napędu prądnicy dostarczana jest z wału pośredniego za sprzęgłem,
poprzez sprzęgło elastyczne i przekładnię tunelową.
Dla zapewnienia wysokiej sprawności śruby, a więc obniżenia mocy potrzebnej dla
napędu awaryjnego, zastosowano przekładnię dwubiegową z dwoma wewnętrznymi
sprzęgłami ciernymi C1 i C2 dla włączania i wyłączania biegów. Prądnica jest napędzana
przy załączonym sprzęgle C1 i zablokowanej mechanicznie części sprzęgła oporowego, przez
którą przenoszony jest moment obrotowy od silnika głównego do śruby. Dzięki stałemu
połączeniu mechanicznemu (sworznie stożkowe pomiędzy dwoma pierścieniami na
płaszczyz
nie wewnętrznej styku pierścieni) nie ma elementów przemieszczających się
względem siebie, jak to ma miejsce w sprzęgłach pracujących z poślizgiem.
Wyeliminowane są również luzy poosiowe i nie występuje zjawisko młotkowania, jak
to ma miejsce w sprzęgłach zębatych. Jest to ważne w tym wariancie, ponieważ pełna siła
naporu śruby jest przenoszona poprzez sprzęgło na łożysko oporowe w silniku głównym
(pierwsze łożysko w silniku od strony wału śrubowego). Nie ma więc również strat energii w
sprzęgle.
Przy awaryjnym napędzie statku prądnica jest wykorzystana jako silnik elektryczny
zasilany z niezależnego z
ródła energii (spalinowe zespoły prądotwórcze). Moc od silnika
elektrycznego jest przekazywana na wał śrubowy poprzez przekładnię przy załączonym
sprzęgle ciernym C2 i rozłączonym sprzęgle oporowym. Silnik główny jest odłączony od
wału śrubowego i moment obrotowy nie jest przenoszony na silnik główny, natomiast
wewnętrzne łożysko oporowe sprzęgła umożliwia statyczne przeniesienie siły naporu od
śruby na łożysko oporowe zatrzymanego silnika głównego.
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 9
Nie ma, więc potrzeby stosowania oddzielnego wału oporowego i łożyska w linii
wałów, które przenosiłoby siłę naporu na kadłub przy rozłączonym silniku.
Rys. Silnik główny napędza bezpośrednio śrubę i prądnicę
Sprzęgło Alpha Clutcher ma wewnątrz poprzeczne łożyska nośne dla obracających się
części sprzęgła, które utrzymują sprzęgło w położeniu osiowym. Dlatego sprzęgło nie
wymaga fundamentowania. Załączanie i rozłączanie sprzęgła jest hydrauliczne i zdalnie
sterowane
Rys. Napęd awaryjny statku
Zaproponowany awaryjny układ napędowy zapewnia znak klasy redundancji R1 lub
R1+ wg ABS. Warunkiem uzyskania znaku  +" jest, aby układ pomocniczy mógł być
uruchomiony po awarii silnika głównego w ciągu 2 min., a moc napędu wystarczała do
przeciwstawienia się warunkom pogodowym bez dryfu statku. Sprzęgło AIpha Clutcher
spełnia ten warunek. Dla ponownego załączenia oporowego sprzęgła (połączenie
mechaniczne) silnik musi być zatrzymany. Czas potrzebny na ponowne połączenie jest ok. 5
min.
SIA
OWNIE OKR
TOWE  TM, IRM 10
Układ napędowy podczas pracy w porcie. Na zbiornikowcach dostawczych (shuttle
tanker) zapotrzebowanie na energię elektryczną jest znacznie zróżnicowane w różnych
stanach pracy. Duże zapotrzebowanie na energię elektryczną jest przy wyładunku w porcie
własnymi pompami z napędem elektrycznym oraz podczas dynamicznego pozycjonowania
statku (załadunek na polu naftowym).
Rys. Silnik główny napędza tylko urządzenia pomocnicze
Dobór rozwiązań elektrowni zależy również od proporcji czasu przebywania statku w
morzu, porcie i na polu naftowym. Czas przebywania w morzu zależy od lokalizacji pól
naftowych. Zapotrzebowanie na energię elektryczną jest największe podczas postoju w
porcie, gdy silnik główny nie musi napędzać śrubę, a najmniejsze podczas jazdy w morzu.
Biorąc pod uwagę względny czas postoju w porcie i na polu naftowym korzystniejszym
rozwiązaniem dla wytwarzania energii elektrycznej może okazać się układ, w którym silnik
główny będzie wykorzystany do napędu prądnic zamiast instalowania dużych spalinowych
zespołów prądotwórczych o niższych sprawnościach i dużych kosztach inwestycyjnych.
Sprzęgło Alpha Clutcher może łatwo być wykorzystane do tego celu i wówczas jest
zamontowane po przeciwnej stronie przekładni tunelowej. Sprzęgło rozłącza śrubę od silnika
głównego, który przekazuje moc poprzez fragment sprzęgła oporowego, sprzęgło elastyczne i
przekładnię tunelowa na wał prądnicy lub innego urządzenia pomocniczego (przy
zatrzymanej śrubie). Zastosowana przekładnia tunelowa jest wtedy przekładnia o prostej
konstrukcji, jednobiegowa, dwustopniowa z jednym wewnętrznym sprzęgłem ciernym do
załączania prądnicy.
Przedstawione warianty rozwiązań układów napędowych bezpośrednich z spalinowym
silnikiem wolnoobrotowym pozwalają na lepsze wykorzystanie silnika głównego zarówno
podczas jazdy w morzu, jak i postoju w porcie. Sprawia to, że sprawność energetyczna
siłowni jest większa przy pracy w układzie podstawowym, jak również możliwe jest
wykorzystanie silnika głównego o wyższej sprawności do napędu prądnic podczas postoju
statku w porcie. Nowym rozwiązaniem jest zaproponowane rozwiązanie awaryjnego układu
napędowego, który może spełniać zarówno funkcję podstawowa, tj. napęd śruby i prądnicy,
jak również dodatkowo może zapewnić napęd w przypadku awarii silnika głównego.