Siłownie Okrętowe  ESO III 1
PRACA OKR
TOWEGO UKA
ADU NAP
DOWEGO W STANACH
NIEUSTALONYCH
1. WST
P  DEFINICJA STANU NIEUSTALONEGO
Manewry statków, a tym samym i praca okrętowych układów napędowych w stanach
nieustalonych, może być podporządkowana różnym kryteriom i wymogom. Może być
wymagany np. minimalny czas i droga manewrów, ewentualnie minimalne zużycie paliwa,
czy też występują określone ograniczenia dotyczące charakterystyki silnika napędowego takie
jak: moment obrotowy lub przyspieszenia. Rozważania te będą zawężone tylko do zagadnień
czasu i drogi manewrów. Od jednostek specjalnych (statki ratownicze, przeciw-pożarowe,
promy, holowniki portowe i holowniki do obsługi wież wiertniczych, okręty wojenne itp.)
wymaga się, aby te czasy i drogi były możliwie krótkie i mieściły się w określonych
przedziałach. Odnośnie do statków towarowych, dotychczas brak jest podobnych określonych
wymagań. Nie można opisać dynamikę pracy okrętowego układu napędowego bez
uwzględnienia tego, co układ ten napędza - kadłuba. Innymi słowy, należy rozpatrywać
dynamikę całego układu ruchowego statku. Jednakże ze względu na specyfikę przedmiotu,
który dotyczy głównie układów napędowych, tam gdzie to będzie możliwe problem
zawężony zostanie tylko do układu napędowego.
Znany jest schemat funkcjonalny układu napędowego w powiązaniu z kadłubem
(układ ruchowy). Najprostszy przykład, w którym występuje silnik główny pracujący
bezpośrednio na własną śrubę. Mogą być inne układy, np. bez centralnego układu sterowania
i automatyzacji pracy silników głównych, a nawet bez stanowisk odległościowego sterowania
silników  to znaczy, sterowanie ręczne bezpośrednio w siłowni według telegrafu
maszynowego. Samych silników głównych może być więcej i mogą też pracować poprzez
przekładnię zbiorczą na wspólną śrubę. W zależności od tego schemat funkcjonalny będzie
ulegał pewnym modyfikacjom, ale ogólne zależności pozostaną podobne.
W poszczególnych zespołach rozpatrywanego układu napędowego mogą być
stosowane różne rozwiązania. Na przykład mogą być różne silniki główne (tłokowe,
wirnikowe), różnego rodzaju przekładnie (mechaniczne, hydrauliczne, elektryczne) i różne
śruby (o skoku ustalonym lub nastawne). Rzutuje to poważnie na dynamikę pracy układu
napędowego, a szczególnie silników głównych w czasie wykonywania manewrów i ma
określony wpływ na dynamikę procesów przejściowych pracy układu napędowego.
W czasie eksploatacji okrętowego układu ruchowego (silnik, śruba, kadłub) mogą
występować dwa podstawowe rodzaje procesów pracy:
" ustalone, w których niezależnie od upływu czasu parametry i zachodzące procesy są
niezmienne (stałe, statyczne), bądz
są periodycznymi funkcjami czasu o identycznym
przebiegu. Pojęciu temu odpowiada ruch statku w idealnych warunkach pogodowych
z ustaloną prędkością po linii prostej, gdy nie występują żadne wymuszenia
(zakłócenia) zewnętrzne działające na kadłub lub na pracę układu napędowego. Wtedy
też używa się skrótowego określenia - statyka pływania, statku.
" nieustalone, inaczej zwane przejściowymi, gdy parametry pracy układu napędowego i
wskaz
niki zachodzących procesów oraz same procesy zmieniają się w czasie. Pojęciu
temu odpowiada na przykład ruszanie statku z miejsca, jego przyspieszanie,
hamowanie lub przejście na przeciwny kierunek ruchu, zmiany kierunku ruchu
(zmiany kursu), pływanie na sfalowanym morzu (ruch na falę i z fali) itp. Wtedy też
używa się odpowiednio skrótowego określenia - dynamika pływania statku. Pod
pojęciem procesu nieustalonego (przejściowego) pracy okrętowego układu napędu
Siłownie Okrętowe  ESO III 2
głównego rozumie się sumę kolejnych stanów nieustalonych (określonych
wartościami wybranych parametrów je charakteryzujących), który kończy się w chwili
osiągnięcia ustalonego.
W rzeczywistych morskich warunkach eksploatacji statków, praktycznie zawsze na kadłub i
układ napędowy oddziałują jakieś, choćby niewielkie wymuszenia zewnętrzne, które z kolei
bezpośrednio lub pośrednio powodują mniejsze czy też większe zmiany warunków pracy
układu napędowego. Rozróżnia się przy tym wymuszenia:
" sterowalne - wynikające z celowego działania załogi okrętowej, do tego rodzaju
wymuszeń zewnętrznych zaliczyć można na przykład wyłączenie, bądz
włączenie do
pracy jednego z silników głównych, zmiany dawki paliwa (zmiany nastawy regulatora
prędkości obrotowej), sterowanie przekładnią rozłączno-nawrotną w celu przejścia na
ruch przeciwny, zmiany nastawy skoku śruby, zmiany położenia steru, przyjmowanie
bądz
wyrzucanie balastów w czasie ruchu statku. W wyniku tych poczynań zmienia
się prędkość obrotowa i momenty pracujących silników napędu głównego, napór śrub
i prędkości pływania.
" niesterowalne - wynikające przede wszystkim z warunków pogodowych i zmian
akwenu pływania. Jako przykład niesterowalnych wymuszeń zewnętrznych można
wymienić zmiany stanów morza, siły i kierunku wiatru, zmiany głębokości wody pod
statkiem, okresowy ruch pod falę i z fali, zmiany trymów i przechyłów statku, które to
czynniki powodują zmiany wielkości oporów pływania i tym samym wywołują
pośrednio zmiany warunków i parametrów pracy układu napędowego. W tych
sytuacjach także praca układu nie jest ustalona, parametry pracy zmieniają się, a
kolejne powtarzające się periodyczne procesy różnią się między sobą.
Odpowiednio tez mówimy o procesach sterowalnych i niesterowalnych pracy układu
napędowego statku. Procesy sterowalne nie zawsze są bezpośrednimi działaniami na pracę
silników napędu głównego. Na przykład zmiana skoku śruby, zmienia siłę naporu i pobór
momentu obrotowego, a tym samym pośrednio obciążenie silnika głównego. Podobnie
zmiana położenia steru zmienia charakterystykę oporową pływania, a w przypadku kilku śrub
napędowych wprowadza dodatkowo różny stopień ich obciążenia, co rzutuje na pracę
silników.
Niesterowalne wymuszenia są przyczyną niesterowalnych zmian w pracy układu napędowego
gdyż zachodzą bez udziału załogi. Jedne z nich oddziałują bezpośrednio na pracę silników tak
jak: zmiany temperatury i wilgotności powietrza, inne zaś pośrednio na przykład: zmiany
kierunku i wielkości siły wiatru, stanu morza, głębokości akwenu itp. Te czynniki mogą
powodować niekiedy bardzo poważne zmiany obciążenia, a nawet przeciążenia silników
głównych napędu okrętowego.
Występuje też pojęcie: dynamika pracy siłowni okrętowej. Jest to pojęcie szersze niż
dynamika pracy samego układu napędowego, gdyż uwzględnia także zmiany w pracy
urządzeń oraz mechanizmów pomocniczych siłowni oraz elektrowni okrętowej w zakresie
związanym z pracą układu napędu głównego. Są to jednak zmiany stosunkowo niewielkie i
zwykle pomijalne. Dlatego też pojęcie dynamika pracy siłowni okrętowej, w zasadzie odnosi
się do dynamiki pracy układu napędowego (ruchowego) statku.
W przypadku, gdy zmiany między sąsiednimi stanami ustalonej pracy są stosunkowo
niewielkie, w rozważaniach i analizach inżyniersko-eksploatacyjnych po prostu pomija się
dynamikę przejścia między nimi i traktuje się w uproszczeniu, jakby to były sąsiednie
ustalone stany pracy układu napędowego (quasi-statyczne), minimalnie różniące się od siebie.
Siłownie Okrętowe  ESO III 3
Inaczej przyjmuje się wtedy, że w każdych kolejnych warunkach praca układu napędowego
jest jakby ustalona, a charakterystyki (oporowe, śrubowe, zewnętrzne silników) są jakby
zbiorem szeregu ustalonych bliskich sobie stanów. Wówczas zmiana prędkości w ustalonych
warunkach (0 niżej) zewnętrznych ze stanu 1 do blisko leżącego stanu 2 odbywa się jakby po
drodze 1-2 i oba sąsiednie stany są jakby ustalone (quasi-statyczne). Podobnie, w razie
niewielkiej zmiany warunków zewnętrznych, przy ustalonej prędkości pływania następuje
przejście stanu pracy z punktu l do blisko leżącego punktu 3 (zmiana oporów pływania), przy
czym oba te stany są traktowane jako quasi-statyczne.
Zrozumiałe, że teoretycznie stany 1,2 i 3 muszą leżeć nieskończenie blisko siebie, a proces
przejścia musiałby trwać nieskończenie długo.
P
a
2
b
1
3
v
Rys.1. Przykład charakterystyk śrubowych statku jako zbiorów nieskończonej liczby
quasi-statycznych stanów pracy w dwóch różnych przypadkach warunków
zewnętrznych  a i b
Wszystkie dotychczas omawiane charakterystyki, były tworzone przy założeniu quasi-
statyczności wszystkich stanów pracy. Nawet, jeśli te stany poważnie odbiegały od siebie, nie
rozpatrywano drogi przejścia między nimi, to znaczy procesów przejścia od jednego stanu
ustalonego do drugiego, ale po prostu umownie przyjmowano je jakby ustalone quasi-
statyczne. Znaczy to, że wszystkie uprzednio omawiane zagadnienia dotyczyły tylko statyki
pływania, tzn. stanów ustalonych pływania.
W przypadku statków towarowych przyjęcie takich uproszczeń jest nawet dopuszczalne.
Specyfika ich eksploatacji nie wymaga częstych manewrów. Po wyjściu z portu na otwarte
akweny, manewry - zmiany parametrów pracy układu napędowego nie są częste, wyjątkowo
dotyczy to szczególnych sytuacji drogi morskiej. Zupełnie inna jest zasada eksploatacji
jednostek specjalnego przeznaczenia. Podczas wykonywania manewrów występują liczne i
poważne zmiany warunków i parametrów pracy układu napędowego. Statki właściwie
zaprojektowane dla tych sytuacji, mają właściwie dobrane silniki i urządzenia pozwalające na
bezawaryjne szybkie zmiany obciążeń i przyspieszeń, a tym samym na szybkie i sprawne
wykonywanie koniecznych manewrów. Uwagi te można odnieść do statków ratowniczych,
przeciw-pożarowych, holowników obsługi wiez
wiertniczych, holowników portowych i
promów.
Projektanci i eksploatatorzy układów napędowych powinni znać, jaki przebieg mają procesy
przejściowe, jak zmieniają się parametry pracy, gdzie i kiedy występują przeciążenia, jaki jest
ich charakter i czas trwania.
Siłownie Okrętowe  ESO III 4
Projektanci powinni określić, a eksploatatorzy umiejętnie dobierać szybkości
przeprowadzania manewrów, dokładnie kontrolować parametry zmian, znać współzależności
zachodzących procesów i w każdej konkretnej sytuacji wybierać najbardziej racjonalne
zasady realizacji. W razie konieczności szybkich manewrów nieznajomość tych procesów z
reguły prowadzi do nadmiernych przeciążeń, a w rezultacie do nieodwracalnego
przyspieszonego zużycia czy nawet awarii elementów lub całych podzespołów układu
napędowego. Ogólnie należy stwierdzić, że znajomość procesów przejściowych ruchu statku i
pracy układu napędowego pozwala na hardziej odpowiedni dobór elementów układu
napędowego i zapewnienie właściwej wzajemnej ich współpracy ze sobą. Na 0 niżej
przedstawiono w sposób uproszczony  możliwości zmian parametrów pracy układu
napędowego w procesie przejściowym, w czasie manewru zwiększania prędkości statku ze
śrubą o skoku ustalonym. Najkrótszy czas wykonania manewru przyspieszenia z punktu A do
B - charakterystyka l, odpowiada gwałtownemu wzrostowi momentu obrotowego silnika Ttq
poprzez szybkie zwiększenie nastawy prędkości obrotowej. Wtedy prawie natychmiast
ulegnie zwiększeniu do maksimum dawka paliwa, a silnik będzie pracował na swojej
zewnętrznej charakterystyce granicznej.
Po osiągnięciu wartości obrotów zadanych, w miarę wzrostu prędkości statku, obciążenie
silnika będzie maleć według charakterystyki regulatorowej R2, aż do stanu w punkcie B. Tak
przeprowadzony proces przejściowy (manewr) prowadzi do długotrwałego przeciążenia
silnika i może spowodować jego uszkodzenie - szczególnie, jeśli jest to tłokowy silnik
spalinowy. Wymagania eksploatacji statku mogą zakładać wykonywanie możliwie szybkich
manewrów, ale powinny one się mieścić w dopuszczalnym zakresie czasu pracy i
maksymalnym obciążeniem silnika momentem obrotowym. Manewr według krzywej l jest też
zdecydowanie nieekonomiczny. Po pierwsze poważnie obniża się sprawność pracy silnika
(następuje wzrost zużycia jednostkowego paliwa), po drugie następuje obniżenie sprawności
pracy śruby - maleje wówczas współczynnik posuwu J. Energia potrzebna do zwiększenia
prędkości pływania statku (i mas towarzyszącej mu wody) w jednostce czasu jest wtedy dużo
większa niż przy wolniejszym przyspieszaniu.
Proces przejściowy - sposób 2, przesterowania nastawy regulatora prędkości obrotowej mniej
gwałtowny, jest bardziej wskazany niż l, gdyż silnik będzie pracował nieco krócej na swojej
zewnętrznej charakterystyce granicznej. Część przyspieszania statku przypadnie na okres
stopniowego narastania dawki paliwa i momentu silnika, gdy parametry te jeszcze nie
osiągnęły swoich wartości maksymalnych. Jeszcze bardziej właściwe ze względu na pracę
układu napędowego będzie wykonywanie tego manewru na drodze 3, lub w ogóle bez
przekroczenia momentu nominalnego silnika napędowego - droga 4, chociaż wydłuży to czas
manewru (ruch sterowania może być ciągły lub skokowy).
Każdy z wymienionych wyżej procesów przejściowych można traktować jako szereg
nieskończony blisko leżących stanów quasi-statycznych. Procesy (l, 2, 3, 4), ich przebiegi i
parametry są inne niż w przypadku statycznego pływania. Nazywamy je dynamiką pływania.
Na przykład podczas chwilowej quasi-statycznej prędkości Vx procesu przejściowego 3, dla
chwilowego stanu współpracy układu ruchowego, quasi-statyczny moment obrotowy silnika
jest inny (większy) niż w razie ustalonego ruchu statyki pływania. Wynika to z faktu, że przy
tej chwilowej prędkości Vx konieczne jest pokonywanie oporu dynamiki pływania statku Rx,
na który składa się opór R statyki pływania z prędkością Vx oraz opór "R bezwładności
"
"
"
przyspieszanego statku i towarzyszącej mu masy wody strumienia nadążającego.
Siłownie Okrętowe  ESO III 5
Ttq Ttq max
Ttq nom
Rx
Ttqx 1
3
2
B
R2
4
R1
Ttq
A
vA vx vB v
Rys.2. Uproszczone przedstawienie zmian momentu obrotowego układu napędowego w
czasie manewru przyspieszania, statku od prędkości VA do VB
Na 0 wyżej odpowiadają tym składowym wielkości Ttqx, Ttq oraz "Ttqx. Możliwym jest, że
"
"
"
operator obsługujący silnik napędu głównego lub układ sterowania, chcąc uzyskać duże
przyspieszenie statku, nastawi zadajnik regulatora prędkości obrotowej na wielkość większą
niż jest to konieczne dla statycznego pływania z prędkością VB do czasu, gdy statek osiągnie
prędkość bliską zadanej, wtedy obniży nastawę regulatora. W tym przypadku wystąpi jeszcze
większe niebezpieczeństwo przeciążenia i uszkodzenia silnika. W normalnej eksploatacji,
manewry z długotrwałą pracą na zewnętrznej charakterystyce granicznej silnika są
niedopuszczalne - chyba, że w sytuacjach kolizyjnych. Zresztą nie zawsze duże i gwałtowne
zmiany prędkości obrotowej śruby prowadzą do wyraz
nego (liczącego się) skrócenia czasu i
drogi manewru statku.
Wyżej zostało użyte sformułowanie, że drogą l manewr przyspieszenia prawdopodobnie
zostanie wykonany najszybciej. Słowo prawdopodobnie jest tutaj konieczne. Zależnie od
rodzaju śruby, jej charakterystyki sprawnościowej i zakresu pracy, gwałtowne i duże
zwiększenie prędkości obrotowej przy stosunkowo niewielkiej prędkości pływania może w
takim stopniu obniżyć sprawność śruby i w rezultacie czas manewru będzie niewiele mniejszy
niż przy mniej gwałtownym zwiększaniu jej prędkości obrotowej. Ogólnie, w razie potrzeby
niewielkich przyrostów prędkości pływania zmiany nastaw regulatora prędkości obrotowej
mogą być jednorazowe. Natomiast w razie potrzeby większych przyrostów prędkości
pływania, należy stosować stopniowanie nastaw regulatora prędkości obrotowej.
Analiza procesów przejściowych pracy okrętowego napędu głównego ma na względzie także
ich optymalizację. Procesy te powinny być realizowane tak, aby nie tylko drogi i czasy były
możliwie krótkie, ale także nakład energii dla ich realizacji był stosunkowo mały i aby nie
występowały stany przeciążeń podzespołów układu napędowego. Na przykład niewłaściwe
ruszanie statku z miejsca (ze śrubą o skoku nastawnym), przy zbyt dużych nastawach skoku,
przeciąża momentem silnik i śrubę. Śruba pracuje nieefektywnie pobierając dużo mocy, którą
głównie traci na nieproduktywne przyspieszenie wody w ruchu obrotowym, zaś siła naporu
jest w efekcie niewielka - statek rusza powoli (długi czas i droga manewru).
O dynamice pracy całego układu ruchowego stanowią właściwości głównych jego
składowych (silnik, śruba i kadłub), oraz prędkość pływania.
tqx
"
T
Siłownie Okrętowe  ESO III 6
Dla dynamiki samego silnika duże znaczenie ma masa jego części ruchomych, rozwiązanie
konstrukcyjne silnika - głównie jego układu paliwowego i rodzaj zastosowanego regulatora
prędkości obrotowej. To decyduje o wielkości czasu, jaki upływa od chwili przesterowania
nastawy regulatora, do chwili uzyskania przez silnik zadanej wielkości obrotów. Jako
przykład na 0 niżej przedstawiono przebiegi zmian (dynamikę) prędkości obrotowej,
szybkoobrotowego tłokowego silnika spalinowego nie obciążonego, w sytuacji jego rozruchu
luzem, wysprzęglenia i zatrzymania. We wszystkich tych przypadkach dla danego silnika czas
ustalenia się prędkości obrotowej wynosi do 10 sekund. Czasy te dla silników
średnioobrotowych i wolnoobrotowych są wyraz
nie większe.
n
[min-1]
b
1400
a
800
c
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1
t [s]
Rys.3. Zmiana prędkości obrotowej szybkoobrotowego, tłokowego silnika przy
niektórych manewrach:
a - rozruch silnika - praca luzem,
b - wysprzęglenie (zdjęcie obciążenia momentem - praca luzem),
c - zatrzymanie silnika.
Zarówno na etapie projektowania, jak i podczas eksploatacji, istotna jest znajomość dynamiki
pracy całego układu napędowego, a nie jego poszczególnych podzespołów w oderwaniu od
siebie. Dla silnika obciążonego linią wału i śrubą (dla zespołu napędowego), przebiegi zmian
i czasy przybliżonego ustalenia się wielkości obrotów i innych parametrów są zupełnie inne
niż w razie pracy luzem. Zależą także od masy linii wału, od rodzaju i wielkości śruby, a
nawet od typu i masy kadłuba oraz prędkości jego ruchu. Jeszcze większe są czasy, jeśli
rozpatrywać dynamikę całego układu ruchowego. Czas uzyskania zamierzonej prędkości
pływania czy też czas wyhamowania (zatrzymania) jest zdecydowanie większy od poprzednio
wymienionych. Na przykład, czas wyhamowania dużego statku (bez pracy śruby wstecz)
może wynosić nawet godzinę. Pewną orientację o rzeczywistych wielkościach parametrów
czasu i drogi manewrów różnych jednostek pływających na przykładzie manewru
zatrzymania przy przejściu z całej naprzód - stop daje tabela 0 niżej.
"
st
Siłownie Okrętowe  ESO III 7
Tabela 1. Porównania parametrów manewru zatrzymania dwóch różnych jednostek
pływających
Rodzaj statku Układ napędowy Parametry manewru
droga s [m] Czas t [s]
2x silnik wolnoobrotowy, <" 801 <" 3501
Pasażerski
(3000 kW, 225 obr/min)
<" 21002 <" 6002
silnik wolnoobrotowy, <" 9501 <" 6001
Towarowy
(4000 kW, 115 obr/min)
<" 50002 <" 15002
Analityczną postacią charakterystyki dynamicznej dowolnego statku jest równanie dynamiki,
zwykle dość wysokiego rzędu, ponieważ na dynamikę pracy jego układu ruchowego składa
się wiele czynników (silnik, śruba, kadłub) i wpływa wiele czynników (wymuszeń) zarówno
sterowalnych, jak i niesterowalnych. Zbudowanie takich równań, w których występuje
przecież wiele elementów składowych układu ruchowego, nawet przy pewnych założeniach
upraszczających, i dokonanie ich analizy jest procesem zbyt skomplikowanym,
pracochłonnym i trudnym, dla praktycznego stosowania przez konstruktorów i
eksploatatorów. Pomimo zastosowania większej liczby założeń upraszczających oraz
pominięciu w niektórych elementów układu ruchowego o mniejszym wpływie na dynamikę,
rząd równań jest zbyt wysoki. Na przykład dla samego tłokowego silnika spalinowego z
wielozakresowym regulatorem prędkości obrotowej uzyskuje się w najlepszym razie
równanie różniczkowe 5 lub 6 rzędu. Do tego dochodzą równania dynamiki następnych
podzespołów i elementów napędu (sprzęgieł, śrub, kadłuba), co jeszcze bardziej podnosi ich
rząd i złożoność. Dalsze ewentualne założenia upraszczające zwykle prowadzą do tego, że
model matematyczny niezbyt wiernie odtwarza obiekt rzeczywisty. W wymienionych
metodach ogólną zasadą jest opis matematyczny dynamiki najpierw poszczególnych
elementów i podzespołów układu ruchowego, a następnie ich synteza. Zaletą tego podejścia
jest uniwersalność tych równań dla wszystkich możliwych sytuacji pracy układu napędowego
czy nawet ruchowego, ale praktyczne posługiwanie się jest niezwykle utrudnione i
pracochłonne.
Istnieje też inne podejście - zsyntetyzowane, zresztą najczęściej stosowane w praktyce, w
którym bazuje się na równaniach opisujących w sposób ogólny układ napędowy i obiekt
pływający jako całość. Opierając się na tych równaniach przeprowadza się analizę
poszczególnych manewrów, uwzględniając każdorazowo specyfikę konstrukcji układu
napędowego, rodzaj sprzęgieł, przekładni i silników. Już tylko rodzaj silników spalinowych
(nawrotne, nienawrotne) rzutuje na przebieg procesów manewrów statku. Podobnie na
przebieg procesów ma też wpływ rodzaj śruby (skok stały czy też śruba nastawna), rodzaj
przekładni (mechaniczna, elektryczna), rodzaj sprzęgła, ewentualna prądnica wałowa.
Zrozumiałe, że musi być także uwzględniany rodzaj i wielkość kadłuba, gdyż kształt i jego
masa mają istotny wpływ na dynamikę całego układu ruchowego.
Dalsze opisy przebiegów procesów, czasy i drogi manewrów będą bazowały na następujących
założeniach upraszczających:
1. charakterystyki kadłuba, silnika i śruby są quasi-stacjonarne ,
2. wartość momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik napędowy zależy tylko od
położenia dz
wigni nastawy pompy wtryskowej,
3. akwen pływania jest nieograniczony,
1 Z hamowaniem silnikiem - z włączaniem obrotów wstecz
2 Bez hamowania silnikiem - śruba wysprzęglona obraca się tylko pod naporem wody na jej skrzydła -praca turbinowa śruby
Siłownie Okrętowe  ESO III 8
4. przyjmuje się ustalone warunki zewnętrzne pływania,
5. statek porusza się tylko równolegle do niezakłóconej powierzchni morza a jego
wyporność pozostaje niezmienna, to znaczy występują tylko składowe prędkości
pływania vx oraz vy, zaś składowa vz = 0,
Przy tych założeniach dla prostokątnego, prawoskrętnego układu współrzędnych z osią z
skierowaną ku górze równania sił i momentów układu ruchowego statku mają postać:
�łm
(m + "mx)dvx - - "my �ł �" &!v = Fx (1)
�ł �ł
y
dt �ł łł
dv
y
�łm + "my �ł
-(m - "mx)�" &!vx = Fy (2)
�ł �ł
�ł łł dt
d&!
�ł
(Ioz + "Iz) - "mx - "my �ł �" vx �" v = Ttqz (3)
�ł �ł
y
dt �ł łł
gdzie:
D
m - masa statku [kg]; m= ,
g
D - wyporność statku [N],
g - przyspieszenie ziemskie [m/s2],
"m - masa wody towarzyszącej ruchowi statku zredukowana do jego prędkości [kg],
"mx - masa wody towarzyszącej ruchowi postępowemu statku w kierunku jego
płaszczyzny symetrii (osi wzdłużnej) [kg] - oś x,
"my - masa wody towarzyszącej ruchowi postępowemu statku na burtę, w kierunku
prostopadłym do jego płaszczyzny symetrii [kg] - oś y,
v - chwilowa prędkość statku [m/s],
vx - składowa prędkości statku równoległa do jego płaszczyzny symetrii (osi
wzdłużnej) - oś x,
vy - składowa prędkości statku prostopadła do jego płaszczyzny symetrii - oś y,
t - czas [s],
&! - prędkość kątowa obrotu statku w płaszczyz
nie horyzontalnej, względem osi
pionowej z (zmiana kursu) [rad/s],
F - wypadkowa sił zewnętrznych działających na statek [N],
Fx, Fy - rzut wypadkowej sił zewnętrznych działających na statek odpowiednio na oś x
i y,
Ioz - moment bezwładności statku ruchu obrotowego w płaszczyz
nie horyzontalnej
względem osi z [kg�"m2],
"Iz - moment bezwładności wody towarzyszącej ruchowi obrotowemu statku
względem osi z [kg�"m2],
Ttqz - wypadkowy moment sił zewnętrznych działających na statek w płaszczyz
nie
horyzontalnej (względem osi z) [Nm]
Siłownie Okrętowe  ESO III 9
W pierwszym założeniu upraszczającym analizę procesów przejściowych pracy układu
napędowego przyjęto hipotezę quasi-stacjonarności ich przebiegów. Posługując się, więc
równaniami (1,2,3) przyjmuje się zasadę quasi-statyczności sił i momentów występujących w
układzie ruchowym dla wszystkich kolejnych  stanów chwilowych" procesów przejściowych.
Umownie procesy te odbywają się w skończonym czasie. Odwołując się do sytuacji
omówionej na 0 wyżej, należałoby przedstawić go jak na 0 niżej, z tym, że kolejne chwilowe
quasi-statyczne stany pośrednie krzywych (a,b,c) mają skończony czas trwania, zaś w
przypadku krzywej d (statyki pływania) również występuje szereg nieskończenie blisko
leżących stanów quasi-statycznych, lecz w tym przypadku proces przejścia ze stanu l do 2,
lub odwrotnie, teoretycznie musiałoby trwać nieskończenie długo.
Ttq max I I I I I I
Ttq
Ttq nom
D
b c
B
a
2
d
C
A
1
v
Rys.4. Zasada quasi-stacjonarnych procesów przejściowych (dynamiki pływania) i
wyznaczanie parametrów wartości chwilowych jako odpowiednie stany statyki
pływania w różnych warunkach zewnętrznych.
Z zasady quasi-stacjonarności charakterystyk procesów przejściowych wynika jeszcze jeden
wniosek, że każdy z quasi-statycznych chwilowych stanów pośrednich tych charakterystyk
może być utożsamiony z jakimś odpowiadającym mu stanem statycznym pływania z ustaloną
prędkością tegoż statku, lecz w innych warunkach zewnętrznych. Na przykład quasi-statyczne
chwilowe stany A i B procesu przejściowego odpowiadają statyce pływania w warunkach
zewnętrznych II, Podobnie stany C i D są takie, jak dla statyki pływania w warunkach
zewnętrznych III. W wyniku takiego założenia niektóre parametry chwilowe pracy układu
napędowego dla quasi-statycznych stanów (A,B,C,D) procesu przejściowego można określić
bądz
pomierzyć poprzez pływanie z ustaloną prędkością (w ustalonych stanach), ale przy
innych charakterystykach śrubowych statyki pływania statku.
Badania dynamiki wielu statków w warunkach rzeczywistych zarówno w czasie ruszania i
przyspieszania, jak też w czasie cyrkulacji i przejścia na ruch w kierunku przeciwnym, oraz
analiza wyników tych badań i porównanie z obliczeniami teoretycznymi wykazują, że
wymienione wyżej założenia upraszczające są dopuszczalne.
Mimo tych uproszczeń, na ogół udaje się dość wiernie aproksymować procesy przejściowe
pracy układu napędowego i dynamikę pływania.
Siłownie Okrętowe  ESO III 10
Rozpatrywanie zjawiska dynamiki ruchu statku w całej jego złożoności, to znaczy, gdy
zachodzi równocześnie zmiana prędkości i zmiana kursu, co prezentują równania (l,2,3) jest
dość skomplikowane. Dlatego też zazwyczaj stosuje się zasadę rozdzielenia tych manewrów.
Oddzielnie traktuje się zmiany prędkości i oddzielnie zmiany kursu. Potocznie mówi się, że
rozpatruje się dynamikę statku w  kanale prędkości" bądz
w  kanale kursu". Ta zasada będzie
stosowana w dalszej części. W przypadku zmiany prędkości przyjmuje się, że w tym czasie
nie zachodzi zmiana kursu, i odwrotnie, że w czasie manewru zmiany kursu nie są
podejmowane celowe zmiany prędkości statku.
2. ZMIANY PR
DKOŚCI PA
YWANIA STATKU
2.1. ANALIZA MANEWRU ZWI
KSZANIA PR
DKOŚCI STATKU ZE ŚRUB
O STAA
YM
SKOKU
Jako pierwsze rozpatrzony będzie najprostszy manewr - zwiększanie prędkości pływania
statku, gdzie tłokowy silnik napędza bezpośrednio śrubę. Procesy zwiększania prędkości
pływania statków odbywają się zawsze przy zasprzęglonym układzie napędowym (włączony
napęd śruby) i dlatego niezależnie od rozwiązań konstrukcyjnych (silnik nawrotny lub
nienawrotny) analiza procesu może być wspólna.
Rozważania dotyczą tylko do jednostek pływających o kadłubach wypornościowych,
napędzanych tłokowymi silnikami. Dla każdego manewru kolejno omówiony będzie układ
napędowy ze śrubą stałą a następnie ze śrubą nastawną. Dla kanału prędkości obowiązują
zależności: &! = 0, vx = v, vy = 0, "mx, = "m, "my = 0, Fx = F, Fv = 0, Ttqz, = 0. Wtedy
równania (1,2,3) przyjmą postać:
(m+"m)dv=F (4)
dt
d�
I =M (5)
dt
W przypadku założeń podanych wyżej i ruchu prostoliniowego statku:
F = Te - R H" k �"Te - R (6)
gdzie:
R - chwilowy całkowity opór - opór statyki pływania [N],
Te - rzeczywisty napór śruby [N], przy czym:
Ttq=Ttqo-Ttqt-Ttqs (7)
gdzie:
Ttq  wypadkowy moment sił działających na pędnik [Nm],
Ttqo - użyteczny moment obrotowy silnika, zredukowany do linii wałów [Nm],
Ttqt - moment strat oporów tarcia w linii wałów oraz ewentualnej przekładni i sprzęgle
[Nm],
Siłownie Okrętowe  ESO III 11
Ttqs - moment obrotowy pobierany przez pędnik (śrubę), tzw. moment
hydrodynamiczny przekazywany z linii wałów na śrubę i przetwarzany z określoną
sprawnością na siłę naporu [Nm].
4
Te=T(1-t)=(1-t)KT�"��"n2�"d (8)
gdzie:
Te  rzeczywisty napór pędnika [N]
t - współczynnik ssania śruby,
T - napór śruby swobodnej [N],
KT - współczynnik naporu śruby,
� - gęstość wody [kg/m3],
n - prędkość obrotowa śruby [s-1],
d - średnica śruby [m].
Po uwzględnieniu zależności 4 oraz 5, równania dynamiki ruchu mają postać:
dv
�łm + "Ttq �ł
= Te - R (9)
�ł �ł
�ł łł dt
d�
I =Ttqo-Ttqt-Ttqs (10)
dt
W przypadku statyki pływania - dla ruchu ustalonego, kiedy dv/dt = 0 oraz d�/dt = 0
równania te przyjmą postać:
Te = R (11)
Ttqo=Ttqt+Ttqs (12)
Przyspieszenie statku może występować w przypadku, gdy dv/dt > 0 więc może być
realizowane tylko wówczas, jeśli będzie spełniony warunek:
Te - R e" 0 (13)
Dla przyspieszania statku powinna występować nadwyżka rzeczywistej siły naporu nad
wielkością oporu statyki pływania. Z kolei wielkość siły naporu śruby zależy od momentu
śruby, który wyraża się zależnością:
5
Ttqs=KM�"��"n2�"d (14)
gdzie:
Siłownie Okrętowe  ESO III 12
KM - współczynnik momentu śruby,
d - średnica śruby [m],
� - gęstość wody [kg/m3],
n - prędkość obrotowa śruby [s-1],
Dla śrub o skoku ustalonym wzrost prędkości pływania może być realizowany tylko poprzez
zwiększanie prędkości obrotowej silnika napędowego - obrotów śruby d�/dt > 0, a uzyskuje
się to poprzez zwiększenie dawki paliwa dostarczanego do cylindrów silnika w jednostce
czasu i musi być wówczas spełniony warunek:
Ttqo-Ttqt-Ttqse"0 lub Ttqoe"Ttqt+Ttqs (15)
W początkowej fazie przyspieszania, wskutek zwiększonej ilości paliwa podawanego do
silnika wzrasta moment obrotowy i prędkość obrotowa zespołu napędowego, ale prędkość
statku na początku tego manewru praktycznie jeszcze się nie zmienia. Prowadzi to do zmiany
warunków pracy śruby, gdyż maleje jej współczynnik posuwu:
v
p v(1-w)
J= = (16)
n�"d n�"d
gdzie:
vp - prędkość postępowa śruby wobec otaczającej ją wody [m/s],
v  prędkość statku [m/s],
w - współczynnik strumienia nadążającego.
KT
KM
�p
4'
1'' �p
3'
2''
2'
4
3'' 1'
3
2
KM
1
KT
4''
J=0 J J J=Jst J
Rys.5. Zmiany współczynników naporu KT , momentu KM i sprawności śruby �p w czasie
zmian prędkości pływania statku.
Siłownie Okrętowe  ESO III 13
Wraz ze zwiększaniem się prędkości obrotowej śruby, początkowo przy nie zmienionej
szybkości pływania statku, a potem przy stosunkowo niewielkim jej wzroście, maleje
współczynnik posuwu J, zwiększa się współczynnik pobieranego momentu KM (na 0 wyżej
przejście z punktu l' do 2'). Rośnie też współczynnik wytwarzanego naporu KT (przejście z l
do 2), oraz obniża się sprawność napędowa śruby (przejście z l" do 2").
W rezultacie wzrasta siła naporu T i to intensywniej niż gdyby wielkość obrotów śruby i
prędkość pływania wzrastały proporcjonalnie. Narastając siła naporu śruby nie tylko
przyspiesza statek, ale jej część służy też do pokonywania wzrastającego oporu ruchu, statyki
pływania. Następnie w miarę narastania prędkości pływania współczynnik posuwu J
ponownie rośnie (J Jst), gdyż zwiększa się prędkość postępowa śruby vp. Wreszcie



prędkość statku na tyle wzrośnie, że moment dostarczany śrubie będzie wystarczał tylko na
pokonywanie oporów statyki pływania statku (J = Jst) i nie będzie nadwyżki momentu dla
jego dalszego przyspieszania. Wtedy punkt współpracy układu ruchowego znajdzie się
ponownie na nominalnej charakterystyce śrubowej statyki pływania. Na 0 wyżej teoretycznie
powróci w pobliże stanu l, jako że dla kadłubów typu wypornościowego dla statyki pływania
zachodzi w przybliżeniu proporcjonalność prędkości pływania do prędkości obrotowej śruby.
v, s
v2
ds
v1= =tgŚ1 2
dt
v
t2
s=
+"vdt s
t1
v1
Ś1
1
t
t1 t2 t
Rys.6. Podstawowe parametry zwiększania prędkości pływania
t - czas przyspieszania od początku manewru v1 do uzyskania zadanej prędkości v2,
s - droga przyspieszania
Ogólnie wiadomo, że im większy będzie nadmiar rzeczywistej siły naporu śruby Te wobec
wielkości oporu statyki pływania R, tym krótsze będą czasy oraz drogi manewru jednak, aby
móc określić wielkości liczbowe tych parametrów, należy przedstawić je w postaci
analitycznej. Można w tym celu wykorzystać równania (9,10) i uwzględniając, że:
ds
dt=
dv
wtedy:
ds=v�"dt
S
Siłownie Okrętowe  ESO III 14
(m + "m)v �" dv = Te - R (17)
ds
lub
(m+"m)�"v�"dv=(Te-R)�"ds (18)
Równanie 18 po scałkowaniu w przedziale prędkości procesu przyspieszania od v1 do v2
przyjmie postać:
2 2
2 v2
(m+"m)v -v1 =+"v(Te-R)�"ds (19)
2 1
Z równania tego wynika, że w czasie przyspieszania statku, akumulowana przezeń energia
kinetyczna ruchu wzrasta kosztem nadmiaru siły naporu śruby Te wobec wielkości jego
bieżącego oporu R i w końcu przyspieszania jego energia kinetyczna wynosi:
2 2 2
2 2
E2 = E1 + "E = E1 +(m + "m)v - v1 =(m + "m)v (20)
2 2
Czas przyspieszania statku od prędkości v1 do v2 w funkcji naporu śrub napędowych, można
uzyskać z równania 9, po przekształceniu:
dv
dt=(m+"m) (21)
Te-R
v2
dv
t=(m+"m) (22)
+"T -R
v1
e
Drogę przebytą przez statek w czasie przyspieszania otrzyma się mnożąc strony równania 21
przez prędkość pływania v i po przekształceniu:
ds = v �" dt =(m + "m)v �" dv (23)
Te - R
v2
v �" dv
s =(m + "m) (24)
+"T - R
v1
e
Otrzymane wyrażenia są mało przydatne z punktu widzenia projektowania i eksploatacji
siłowni okrętowych. Określenie wielkości siły naporu śruby Te jest kłopotliwe i wymaga
korzystania z hydrodynamicznych charakterystyk śrub swobodnych (z badań modelowych).
Poza tym nie wiadomo, jakie występują wtedy obciążenia układu napędowego a dokładniej,
jakie są obciążenia silnika głównego, czy nie występują jego przeciążenia. Z wyrażeń tych w
ogóle nie sposób określić wpływu wielkości rozwijanej mocy silnika na wartość parametrów
czasu i drogi manewru statku.
Siłownie Okrętowe  ESO III 15
Dlatego też można przekształcić te zależności tak, aby stały się bardziej wygodne i przydatne
w rozważaniach w odniesieniu do siłowni, a konkretniej, by były funkcją parametrów pracy
silników okrętowego układu napędu głównego. W tym celu mnoży się równanie 9 przez
prędkość v.
(m+"m)v�"dv=Te�"v-R�"v (25)
dt
Wprowadzając znane oznaczenia:
moc holowania - Pe = R �" v ,
Te�"v
moc na stożku śruby - PD= ,
�D
gdzie:
�D  sprawność napędowa śruby �D=�H�"�O�"�R ,
�H  sprawność kadłuba,
�O  sprawność śruby swobodnej,
�R  względna sprawność rotacyjna.
wtedy równanie można przedstawić w postaci:
(m+"m)v�"dv=(�D�"PD-Pe)�"dt (26)
Po scałkowaniu stronami równania można określić czas t przyspieszenia statku od prędkości
t1 do t2.
v2
v �" dv
t =(m + "m) (27)
+"� �" PD - Pe
v1
D
Zależność ta także nie jest wygodna do praktycznego wykorzystania, gdyż występuje w niej
trudna do określenia i praktycznie niemierzalna moc na stożku śruby. Wygodniej jest
posługiwać się użyteczną (efektywną) mocą silnika. W przypadku przyjętego do rozważań
układu napędowego, w którym moc silników głównych przekazywana jest bezpośrednio na
linie wałów i śruby, prędkości kątowe śrub i silników są sobie równe i wynoszą:
Ą�"n
�=
30
Mnożąc obie strony równania 10 przez � otrzyma się zależność dla układu napędowego:
d�
��" I =(Ttqo - Ttqt - Ttqs)�"� = Pe - Pt - Pp (28)
dt
gdzie:
Siłownie Okrętowe  ESO III 16
Pe  moc użyteczna silnika (przy Ttqo),
Pt - straty mocy w linii wałów na odcinku od kołnierza poboru mocy silnika do stożka
śruby; Pt=��"Ttqt ,
Pp  moc na stożku śruby.
Uwzględniając, że człon z lewej strony równania 28 stanowi tę część mocy, która zostaje
zużyta na przyspieszanie ruchu obrotowego mas ruchomych silnika, linii wału i śruby z
towarzyszącą jej wodą ruchu obrotowego zależność można przedstawić w postaci:
Pe=Pe-Pt-Pdyn (29)
gdzie:
Pdyn - moc przyspieszania mas ruchomych silnika, linii wałów i śruby wraz z
towarzyszącą jej wodą; ruchu obrotowego.
Z zależności tej wynika, że:
�ł �ł
�ł1 Pt �ł
Pe = - (Pef - Pdyn)= �wd(Pef - Pdyn) (30)
�"
�ł
Pef - Pdyn �ł
�ł łł
gdzie:
�wd - sprawność linii wałów dla procesów dynamicznych, przyjmowana jako
jednakowa dla wszystkich zespołów napędowych.
Po uwzględnieniu zależności 30 czas przyspieszania statku przyjmie postać:
v2
v �" dv
t =(m + "m)
+"� �" �wd(Pef - Pdyn)- Pe (31)
v1
d
W celu określenia drogi statku s, jaką przejdzie on w czasie przyspieszania od prędkości v1 do
v2 uwzględniając, że vdt = ds można równanie 26 przemnożyć stronami przez v otrzymując
zależność:
v2
v2 �" dv
s =(m + "m)
+"� �" �wd(Pef - Pdyn)- Pe (32)
v1
d
Z przedstawionych wyżej zależności wynika, że parametry manewru przyspieszania statku
("v, t, s) zależą bezpośrednio od wielkości zmian w czasie parametrów pracy układu
napędowego (Pef, �d, �wd) oraz od mocy holowania statku Pe. Z zależności tych wynika, że im
większa będzie moc silnika napędowego i mniejsze zapotrzebowanie mocy holowania oraz
zapotrzebowanie mocy dla pokonywania bezwładności i mas ruchomych silnika, linii wałów i
śrub, tym krótsze będą czas i droga przyspieszania.
Siłownie Okrętowe  ESO III 17
Jako że moc użyteczna silnika Pef zależy od liczby jego obrotów i jednostkowego zużycia
paliwa, to w efekcie można przyjąć, że dla określonego statku czas i droga jego
przyspieszania zależą od wielkości i przebiegu zmian w funkcji czasu podawanych ilości
paliwa, czyli od procesu sterowania systemem paliwowym, a bardziej konkretnie - od
nastawy regulatora prędkości obrotowej silnika. Poza tym czas i droga wykonania manewru
zależą także od wielkości sprawności napędowej śrub, która zmienia się w dość szerokim
zakresie.
Drugi czynnik sprawności - sprawność linii wałów, wpływa w niewielkim stopniu, gdyż
zmiany tej wielkości są w zasadzie nieznaczne. Ta sama postać równań 31 oraz 32
obowiązuje także i dla innych manewrów statku, z tym, że inne będą granice całkowania i
ewentualnie inne znaki przy wartościach mocy.
Przeprowadzenie analizy pracy okrętowego układu napędowego w czasie procesów
przejściowych (manewrów), także w czasie przyspieszania, z uwzględnieniem właściwości
silników napędu głównego, systemu regulacji paliwowej, sposobu rozwiązania
konstrukcyjnego układu napędowego, rodzaju śrub, wielkości oporów kadłuba i jego
właściwości dynamicznych, wymaga sporządzenia skojarzonych (kompleksowych)
charakterystyk tych wszystkich wymienionych wyżej podzespołów układu ruchowego. Jest to
wykres zmian podstawowych parametrów pracy układu napędowego w zależności od
wielkości mocy (lub momentu) oraz prędkości obrotowej silników głównych (lub śrub
napędowych), z uwzględnieniem charakterystyk śrubowych statku oraz z ewentualnym
uwzględnieniem charakterystyk przekładni i sprzęgieł - jeśli występują.
Na 0 niżej przedstawiona jest przykładowa charakterystyka układu napędowego najprostszej
konstrukcji - tłokowy silnik spalinowy z wielozakresowym regulatorem prędkości obrotowej,
mechaniczne sprzęgło rozłączno-nawrotne (cierne), napęd śrub bezpośredni (bez przekładni),
śruba o skoku ustalonym, kadłub typu wypornościowego.
Przyjmując, że statek płynie z ustaloną prędkością (w punkcie 1 - statyka pływania) prędkość
obrotowa śruby wynosi n1 i nastawa regulatora obrotów silnika G1.
Dla zwiększenia prędkości pływania z v1 do v2 nastawa regulatora prędkości obrotów silnika
zmieni położenie na większe prędkości G2. W wyniku tego regulator przesteruje dz
wignię
pompy paliwowej, zwiększając dawki paliwa do cylindrów silnika. Wspomniana zmiana
nastawy regulatora i przesterowanie pomp paliwowych oraz zwiększenie dawki paliwa, w
przypadku tłokowych silników spalinowych odbywa szybko. W wyniku tego prawie
natychmiastowo wzrasta moment silnika - przy praktycznie nie zmienionej jeszcze jego
prędkości obrotowej.
Szczególnie przy szybkim przesterowaniu nastawy wielozakresowego regulatora występuje
gwałtowne zwiększenie dawki paliwa do maksimum i. prawie że natychmiastowo silnik
rozwija maksymalny moment na swej zewnętrznej charakterystyce granicznej przy prawie
nie zmienionej jeszcze liczbie jego obrotów. Na 0 niżej obrazuje to przykładowo linia 1-d.
Dopiero od punktu d rozpoczyna się właściwy proces narastania prędkości obrotowej silnika i
całego zespołu napędowego.
Siłownie Okrętowe  ESO III 18
l
Ttqx Ttqsx d'' d
f
g
h
i
d'
l'
G3
G1
G2 m
Gn
3
e
2
1
0
n1x n2x
n1x
Rys.7. Zmiana prędkości statku  charakterystyki zespolone momentów i prędkości
Przy wolniejszym przesterowaniu nastawy regulatora, mniejsze jest niebezpieczeństwo
przeciążenia silnika momentem i obrazuje to linia 1-d'. Położenie punktu d' jest zależne nie
tylko od sposobu sterowania, właściwości regulatora prędkości obrotowej i instalacji
paliwowej silnika, ale także od momentu bezwładności masy linii wału oraz śruby i również
od rodzaju śruby. Na przykład, w razie śruby nastawnej przy jednoczesnym zwiększeniu
także jej skoku prędkość obrotowa może nawet zmaleć i punkt d" będzie na zewnętrznej
charakterystyce granicznej silnika na lewo od punktu d.
Po osiągnięciu nowo zadanej charakterystyki regulatorowej G2, w miarę narastania prędkości
pływania zmniejsza się zapotrzebowanie momentu (paliwa). Jest to także dość szybki proces,
ponieważ przyspieszane masy linii wałów i śruby są stosunkowo niewielkie względem mocy
okrętowych silników napędu głównego. Dlatego też dopuszcza się, aby moment silnika d' był
równy lub nawet nieco większy od nominalnego. Nie jest wskazane, aby był to moment
maksymalny, tzn. by punkt d' znajdował się na zewnętrznej charakterystyce granicznej. Co
prawda, to przekroczenie momentu trwałoby krótko, gdyż nastąpi szybki wzrost prędkości
obrotowej linii wałów i śruby oraz spadek zapotrzebowanego momentu. Proces ten zakończy
się w rejonie punktu e. Jest to punkt przecięcia się charakterystyki regulatorowej G2 z
charakterystyką ustalonej dotychczasowej prędkości pływania statku v1.
0
=
0
V
4
.
t
,
V
s
6
1
,
0
2
=
,
0
=
0
=
n
2
V
=
V
3
V
1
V
Siłownie Okrętowe  ESO III 19
Ttqx Ttqsx
g h i
f
1,0
l
l'
d
d''
m
d'
3
G1
e
G3 Gn
2
1
G2
n1x n2x 1,0 nx
Rys.8. Zmiana prędkości statku  charakterystyki zespolone mocy i prędkości
Omówione wyżej procesy manewru trwają łącznie tak krótko, że praktycznie prędkość
pływania statku w tym czasie nie ulegnie wyraz
nej zmianie - pozostaje v1 lub prawie v1.
Mimo że prędkość statku na razie nie uległa zmianie, jednakże moment hydrodynamiczny
śruby (pobierany przez śrubę) jest większy niż dla stanu l przy tejże prędkości pływania,
ponieważ większa jest jej prędkość obrotowa. Moment ten odpowiada wielkości rzędnej
punktu e. Dopiero następna część procesu manewru zobrazowana odcinkiem e-2, przedstawia
właściwe przyspieszanie statku. Jest to proces znacznie dłuższy czasowo że względu na to, że
masy przyspieszane są duże - kadłub statku. Dlatego też punkt e - początek tego procesu,
powinien bezwarunkowo znajdować się poniżej linii momentu nominalnego.
Punkt 2 - zakończenie procesu przyspieszania statku, odpowiada sytuacji, gdy dostarczana do
śruby moc silnika przy nastawie regulatora G2 wystarcza tylko do podtrzymywania prędkości
v2 statyki pływania. W tym stanie silnik powinien jakiś czas (5-15 minut) pozostawać, przed
następnym manewrem w celu doprowadzenia do ustalenia się stanów cieplnych silnika.
Ponieważ czas procesu e-2 jest niewspółmiernie dłuższy od czasu procesów 1-d (1-d') oraz d-
e (d -e), dlatego też zazwyczaj przyjmuje się, że czas manewru przyśpieszania właściwie jest
równy czasowi procesu e-2, a czas trwania procesów 1-d-e praktycznie jest pomijalny.
W miarę przyspieszania prędkości pływania, stany pracy układu napędowego przesuwają się
od punktu e do punktu 2. Odcinki rzędnych pod charakterystyką śrubową statyki pływania v,
obrazują tę część momentu (mocy), która służy wtedy do pokonywania bieżącego oporu R
pływania statku z kolejnymi ustalonymi prędkościami (statyki pływania), zaś odcinki
rzędnych między charakterystyką regulatorową e-2 i charakterystyką śrubową statyki
pływania v1 obrazują tę część, która realizuje właściwe przyspieszanie. W miarę wzrastania
prędkości pływania maleje część mocy przyspieszająca ruch statku, natomiast rośnie część
pokonująca coraz większe bieżące opory statyki pływania, jako że wzrasta prędkość statku.
Warto też zwrócić uwagę, że w trakcie procesu e-2, gdy zachodzi właściwe przyspieszanie
statku, występuje także pewien, chociaż stosunkowo niewielki wzrost prędkości obrotowej
zespołu napędowego na n2 co pochłania także pewną (niewielką) część energii dostarczanej
przez silnik.
0
=
V
t
s
6
V
2
4
,
,
,
1
0
0
0
=
=
=
=
n
3
V
1
2
V
V
V
Siłownie Okrętowe  ESO III 20
Na 0 wyżej i 0 wyżej powierzchnia 1-d-e-l (l-d'-e-l) obrazuje energię zwiększania prędkości
obrotowej zespołu napędowego (linia wału, ewentualna przekładnia i sprzęgło oraz śruba z
towarzyszącą jej wodą ruchu obrotowego) od prędkości obrotowej nastawy G1, do nastawy
G2. Przyrost energii ruchu obrotowego układu napędowego zależy tylko od prędkości
kątowej. Jednakże przekształcenie energii silnika w energię kinetyczną ruchu obrotowego
zespołu napędowego, czy też kinetyczną ruchu postępowego statku, może odbywać się z
różną sprawnością. Na przykład inna będzie energia tracona na przyspieszanie wody przy
gwałtownym wzroście prędkości obrotowej śruby, a inna przy powolnym. Maksymalne
zapotrzebowanie energii dla przyspieszania prędkości obrotowej zespołu napędowego
występuje przy gwałtownym (szybkim) przesterowaniu nastawy regulatora z G1 do G2
(powierzchnia 1-d-e-l > l-d'-e-l). Stąd wynika wniosek, że gdy nie ma niezbędnej
konieczności, manewr przyspieszania powinien być wykonywany łagodnie w sposób ciągły
lub skokowo - z odpowiednim rozłożeniem go w czasie. Maksymalne zapotrzebowanie
energii dla przyspieszania występuje wówczas, gdy silnik w czasie manewru jest zmuszony
do pracy na zewnętrznej charakterystyce granicznej. Wtedy także jednostkowe zużycie paliwa
przez silnik jest duże i nieekonomiczne. Do tego dochodzi spadek sprawności śruby
napędowej, gdyż przy gwałtownym wzroście prędkości obrotowej maleje współczynnik
posuwu śruby J i tym samym zmniejsza się jej sprawność. Co prawda przy poprawnej
eksploatacji układu napędowego, jeśli już takie obciążenie silnika (przeciążenie) występuje,
to zazwyczaj jest krótko trwające, ale przy nieumiejętnej obsłudze mogą to być procesy dość
długie w czasie.
Ze względu na poprawność eksploatacji i niezawodność działania, dłuższa praca w tych
stanach jest niedopuszczalna. Może ona prowadzić nawet do awarii silnika. Dlatego też w
normalnych warunkach eksploatacyjnych przyspieszanie statku powinno być realizowane w
sposób powolny i małymi skokami. W taki sposób, nie przeciążając silników napędowych
można doprowadzić aż do prędkości pływania, np. nominalnej czy też maksymalnej.
W efekcie uzyskuje się większą żywotność i niezawodność działania układu napędowego, a w
szczególności tłokowych silników spalinowych. Przy zachowaniu takiej zasady
przyspieszania statku silniki nie doznają niebezpiecznych przeciążeń cieplnych i
mechanicznych. Im więcej jest stopni przejścia, tym charakterystyki obciążenia stają się
bardziej zbliżone do charakterystyki statyki pływania.
V, S
S
S
V2
V
V
V1
t1
t2
t0 �
Rys. 9. Czas i droga manewru przyspieszania statku od prędkości w zależności od
szybkości zmian nastawy regulatora prędkości obrotowej silnika napędu
głównego;
2
s
1
S
Siłownie Okrętowe  ESO III 21
s1 i t1 - droga i czas uzyskania zadanej prędkości okrętu v1 przy szybkim
przesterowaniu,
s2 i t2 - droga i czas uzyskania zadanej prędkości okrętu v2 przy wolniejszym
przesterowaniu.
2.2. ANALIZA MANEWRU ZWI
KSZANIA PR
DKOŚCI STATKU ZE ŚRUB
O
NASTAWNYM SKOKU
Zakłada się realizację przyspieszenia statku ze śrubą o skoku nastawnym od prędkości v1 do
prędkości v2 możliwie w najkrótszym czasie i tym samym przy najkrótszej drodze manewru.
W szczególności prędkość v1 może być równa zeru, to znaczy statek rusza z miejsca, albo też
prędkość v2 = vmax, czyli, że statek jest przyspieszany z zamiarem uzyskania maksymalnej
prędkości pływania.
W praktyce eksploatacyjnej przy sterowaniu ręcznym lub półautomatycznym zdarza się, że
załoga w ogóle nie operuje parametrem prędkości obrotowej śruby. Po prostu utrzymując
wielkość obrotów bliską minimalnej (bądz
nominalną) w razie jakiegokolwiek manewru
zmienia tylko skok śruby. Manewry wówczas wykonywane są nieekonomicznie (nadmierne
zapotrzebowanie energii mechanicznej, a więc zwiększone zużycie paliwa), dłuższe są czasy i
drogi tych manewrów, mimo że dość często występuje także przeciążenie silników napędu
głównego. Szczególnie ma to miejsce wtedy, gdy prędkość docelowa v1 ma być wyraz
nie
większa od prędkości początkowej v1 lub, gdy zamiarem jest uzyskanie prędkości
maksymalnej. Zdarza się też, że załoga obydwoma parametrami, ale w sposób niewłaściwy.
Mając takie zadanie od razu nastawia prędkość obrotową oraz skok śruby odpowiadające
docelowej prędkości pływania vekspl. Wielkość H oraz n wynikają z programu optymalnego
doboru pary nastaw zależnie od warunków zewnętrznych statyki pływania.
W okrętowym układzie napędu głównego, z reguły bezwładność będących w ruchu mas
silnika, linii wałów i śruby wraz z towarzyszącą jej wodą (w ruchu obrotowym) jest
wielokrotnie mniejsza od bezwładności kadłuba, która to wielkość głównie decyduje o
przebiegu procesów przejściowych (o dynamice). Wynika z tego, że aby uzyskać minimalny
czas przyspieszania statku należy podczas całego tego procesu wytwarzać maksymalną siłę
naporu, jaką zdolny jest dostarczyć zespół (układ) napędowy.
Jeżeli rozpatrzy się przypadek przyspieszania statku od niewielkiej stosunkowo prędkości
pływania v1 do dużej prędkości v2 to zgodnie ze znanymi wzorami, efektywna siła naporu
pędnika wyraża się zależnością:
Te=(1-t)T=(1-t)KT �n2D4
Natomiast moment pobierany wtedy przez śrubę opisuje zależność:
Ttqp=KM �n2D5
gdzie:
KT(J,H D) oraz KM=�(J,H D)
f
Ze wzoru pierwszego wynika, że wielkość siły naporu śruby rośnie wraz ze wzrostem
współczynnika naporu KT oraz z kwadratem jej prędkości obrotowej n. Należy, więc te
parametry zwiększać, jednak w dopuszczalnych ze względu na obciążenie silnika granicach.
Siłownie Okrętowe  ESO III 22
Innymi słowy, w czasie manewru zwiększania prędkości pływania można zwiększać prędkość
obrotową i skok śruby tylko do chwili, gdy zostanie osiągnięta wartość nominalna momentu
obrotowego (przy określonej prędkości obrotowej). Gdyby w dalszym ciągu zwiększać skok
śruby, silnik zostanie przeciążony momentem. Zrozumiałe, że ewentualna dopuszczalność
przekroczenia momentu nominalnego silnika i tym samym możliwość zastosowania
większego skoku spowoduje zwiększenie siły naporu śruby, a więc zmniejszenie czasu i drogi
przyspieszania statku.
Natomiast gdyby skok był na tyle duży, że moment śruby stanie się większy od zewnętrznego
momentu granicznego silnika, wówczas nastąpi spadek jego prędkości obrotowej. To
prowadzi do zmniejszenia wielkości iloczynu KT n2, a tym samym do poważnego
zmniejszenia wielkości siły naporu. Jeśli dojdzie do zmniejszenia prędkości obrotowej n
śruby wskutek zbyt dużego jej skoku, współczynnik posuwu J wzrośnie, co spowoduje
dodatkowo zmniejszenie współczynnika naporu KT. W efekcie oba czynniki zmaleją, zarówno
prędkość obrotowa śruby jak i jej współczynnik naporu. Ogólnie można powiedzieć, że
kryterium realizacji możliwie dużej siły naporu śruby nastawnej (minimalnego czasu
przyspieszania statku ze śrubą nastawną), sprowadza się do warunku podtrzymywania
podczas całego tego procesu możliwie najwyższej wartości iloczynu parametrów skoku i
kwadratu prędkości obrotowej H n2, a ściślej KT n2. Jednakże warunkiem ograniczającym jest
nieprzeciążanie silnika, a jeśli krótkotrwale jest to dopuszczalne, w żadnym razie nie może
zaistnieć takie przeciążenie, aby obniżyła się prędkość obrotowa.
Odwołując się do charakterystyk hydrodynamicznych śrub swobodnych można przyjąć
upraszczające założenie, że zależność współczynnika naporu śruby KT od współczynników
posuwu J oraz skoku H/D może być zastąpiona rodziną prostych równoległych.
W I etapie wskutek zwiększenia ilości paliwa podawanego do cylindrów silnika rośnie
moment obrotowy, co powoduje szybki wzrost jego prędkości obrotowej i tym samym
prędkości obrotowej śruby. Dokładniejszy opis procesu jest podobny, jak w przypadku śruby
o skoku stałym. Równocześnie jest zwiększany stopniowo skok śruby, ale w ograniczonym
stopniu, tak, aby możliwy był szybki wzrost prędkości obrotowej, ale bez przeciążenia
silnika.
W celu uzyskania możliwie dużej siły naporu śruby nastawnej w pierwszym (krótkim) etapie
przyspieszania należy przede wszystkim dążyć do możliwie wysokiej wielkości obrotów. W
miarę możliwości należy też zwiększać skok śruby pamiętając jednak o ograniczeniach
wymienionych wyżej jak również nie można dopuścić do spadku prędkości obrotowej
wskutek przeciążenia silnika. W chwili uzyskania prędkości obrotowej śruby odpowiadającej
nastawie regulatora G2 (mimo nie zmienionej prędkości pływania statku), przy
równoczesnym dociążeniu silnika momentem w maksymalnie dopuszczalnym stopniu, uważa
się, że I etap operacji manewru przyspieszania statku został zakończony.
W stanie tym skok śruby H jest pośredni między H1 a docelowym H2 natomiast prędkość
obrotowa powinna być odpowiednia dla docelowego stanu 2 tzn. prędkości pływania v2.
Gdyby dążyć w tej sytuacji do nastawy skoku H2 > H1 nastąpiłoby takie przeciążenie silnika,
że obniżałaby się wielkość obrotów śruby.
II etap manewru (długotrwały) stanowi właściwe przyspieszanie statku. W miarę wzrostu jego
prędkości pływania dopuszczalne jest stopniowe zwiększanie skoku śruby aż do H2.
Warunkiem obowiązującym jest nie przeciążenie silnika.
Cały manewr zostaje zakończony w chwili, gdy parametry pracy układu napędowego są w
punkcie 2 oraz H2, zaś prędkość pływania statku wynosi v2.
Siłownie Okrętowe  ESO III 23
Pe
A
H', H2
C
G1
B
2
Gmax
G2
1
n
Rys. 10.Manewr przyspieszenia statku ze śrubą nastawną w układzie współrzędnych Pe-N
3. MANEWR RUSZANIA STATKU Z MIEJSCA
W przypadku analizy procesu ruszania statku z miejsca istotna jest znajomość czasu
wykonania tego manewru t aż do uzyskania przez statek oczekiwanej początkowej prędkości
v1 oraz drogi s przebytej w tym czasie. Przebieg zmian parametrów tego procesu zależy
przede wszystkim od konstrukcji układu napędowego, rodzaju i mocy silników głównych, od
rodzaju zastosowanych pędników (śrub) oraz od rodzaju i wielkości kadłuba. Zależnie od
typu silnika i jego rozwiązań konstrukcyjnych, od rozwiązania układu paliwowego i rodzaju
zastosowanych regulatorów prędkości obrotowej, a nawet od sposobu rozwiązania
doładowania - różne są charakterystyki zewnętrzne i wielkość momentu użytecznego w
zakresie małych prędkości obrotowych. Jest to niezwykle ważne dla początkowej chwili
manewru ruszania, głównie z uwagi na niezawodność, gdyż niewłaściwie dobrany silnik lub
też nieznajomość granicznych wartości dopuszczalnych parametrów pracy może prowadzić
do jego przeciążenia i w rezultacie prowadzić do nieudanych startów silnika. Inaczej, bowiem
przebiega proces ruszania statku w przypadku silników nawrotnych a inaczej, gdy silniki są
nienawrotne. Inaczej, gdy śruby są o skoku stałym, a inaczej, gdy są nastawne. Ograniczymy
się tylko do rozpatrzenia dwóch najczęściej występujących rozwiązań konstrukcyjnych
zespołów napędowych statków:
1. tłokowy silnik spalinowy nawrotny napędza bezpośrednio linię wałów i śrubę o skoku
ustalonym;
2. tłokowy silnik spalinowy nienawrotny napędza bezpośrednio linię wałów i śrubę o
skoku nastawnym.
Podstawowe zależności i parametry charakteryzujące proces ruszania statku z miejsca w
przypadku śruby o skoku stałym obrazuje rysunku poniżej, który nie wymaga omówienia.
x
a
m
q
t
T
m
o
n
q
t
T
Siłownie Okrętowe  ESO III 24
V, S
�1
S1
t
S=
+" �dt
0
S
ds
V1
�1= =tgŚ
dt
�0=0 ; Ś0=0
V
0
t1 �
Rys. 10. Podstawowe zależności i parametry procesu ruszania statku
Proces ruszania z miejsca może być traktowany jako szczególny przypadek przyspieszania
prędkości statku od v = 0, gdzie charakterystyka śrubowa zmienia się od zakresu pracy na
uwięzi, do charakterystyki pływania swobodnego. Jako, że pierwsza chwila ruszania z
miejsca jest porównywalna do sytuacji pracy na uwięzi, więc współczynnik posuwu:
Vp
J = = 0
D �" n
Wtedy wartości współczynnika momentu KM i zapotrzebowanie momentu obrotowego silnika
dla obracania śruby są największe. Podobnie wytwarzana wówczas siła naporu śruby jest
największa, a sprawność pędnika (śruby) w początkowej chwili jest bliska zeru. W miarę
nabierania przez statek prędkości, charakterystyki oporowa i śrubowa stają się lżejsze,
przesuwają się w prawo - współczynnik posuwu J rośnie, współczynniki KM i KT maleją, zaś
sprawność napędowa śruby zwiększa się. Wreszcie, gdy statek uzyska oczekiwaną prędkość,
czyli że gdy moment dostarczany do śruby wystarcza tylko na pokonywanie statyki oporów
pływania i nie ma nadwyżki dla dalszego przyspieszania, następuje ruch ustalony (J = Jst).
Doświadczenie wskazuje, że nie jest dopuszczalne ruszanie i przyspieszanie statku przez
wprowadzanie gwałtownego przyrostu momentu i prędkości obrotowej silników napędowych,
w efekcie czas manewru będzie niewiele krótszy, a przeciążenie silników napędowych,
szczególnie tłokowych spalinowych, może doprowadzić do ich uszkodzenia. Wskazane jest
powolne ciągłe lub skokowe zwiększanie prędkości obrotowej, aby docelową prędkość
pływania uzyskiwać przy stosunkowo niewielkich nadmiarach momentu (Ttq - Ttqst), w
żadnym razie nie przekraczając długotrwale momentu nominalnego silnika. Gwałtowne
przyspieszanie nie daje zdecydowanego zmniejszenia czasu manewru. W przypadku każdego
konkretnego układu ruchowego (silnik, śruba, kadłub) istnieje optymalny sposób ruszania i
przyspieszania statku, przy którym czas i droga są wystarczająco małe, a jednocześnie nie
zachodzi obawa przeciążenia silników napędowych.
Na 0 niżej przedstawiono krzywe zmiany prędkości pływania v, momentu obrotowego Ttq
oraz prędkości obrotowej silnika i śruby (n), obrazujące w sposób ogólny dla dwóch sytuacji
procesy przejściowe - dynamikę ruszania z miejsca niedużego statku. Linie ciągłe przy
powolnych zmianach nastawy paliwowej silnika, a przerywane przy szybkich.
Siłownie Okrętowe  ESO III 25
Naniesiono też dla porównania krzywe ewentualnego momentu statyki pływania
Ttq,(obrazujące, jaki moment byłby pobierany przez śrubę w razie pływania z odpowiednimi
prędkościami ustalonymi vst. Z rysunku tego wynika, że przy gwałtownym przyspieszaniu
statku wystąpiło przeciążenie silnika momentem powyżej nominalnego. Warto zwrócić
uwagę, że przez pewien okres czasu moment obciążenia silnika był przeszło 10-krotnie
większy od momentu statyki pływania z tą samą prędkością. Natomiast przy wolniejszym
przyspieszaniu moment silnika stosunkowo niewiele przekraczał moment konieczny dla
statyki pływania, w żadnym przypadku nie przekroczył wartości nominalnej, a statek uzyskał
zamierzoną prędkość pływania w czasie tylko o 75% dłuższym od poprzedniego. Różnice
rzędnych pomiędzy krzywymi Ttq oraz Ttqst przedstawiają w każdej sytuacji tę część
momentu, która przyspiesza statek.
Ttqstx Vx nx Ttqx
1,1
nom
1,0
n2x
n1x V1x
0,8
V2x
Ttq1x
0,6
Ttq2x
0,4 Ttq2stx
Ttq1stx
0,2
�
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
t1=200s
t2=340s
Rys. 12. Przebiegi zmiany momentu, prędkości obrotowej i prędkości pływania w funkcji
czasu przy ruszaniu z miejsca jednego ze statków.
3.1. ANALIZA MANEWRU RUSZANIA STATKU Z MIEJSCA - SILNIK NAWROTNY
W tłokowym silniku spalinowym nawrotnym, który jest połączony na stałe z linią wałów,
uruchamianie silnika musi odbywać się z jednoczesnym obracaniem linii wałów i śruby - rys.
4 manewr przedstawiony jest w układzie współrzędnych Pe-n. Przy takim rozwiązaniu układu
napędowego, obciążenie silnika w czasie jego rozruchu jest znacznie większe. Cały czas jest
sumą momentu hydrodynamicznego śruby Ttqs odpowiadającego praktycznie jej pracy  na
uwięzi", momentu dynamicznego Ttqdyn_ mas ruchu obrotowego całego zespołu napędowego,
tzn. silnika, linii wałów, śruby i towarzyszącej jej w ruchu wody oraz momentu tarcia linii
wału TtqT. Zrozumiale, że w takiej sytuacji przyspieszanie mas ruchu obrotowego jest
trudniejsze, a czas uzyskania prędkości obrotowej n0  większej od minimalnych obrotów
stabilnej pracy silnika wynosi 5-30 sekund.
Siłownie Okrętowe  ESO III 26
Px
Rys. 13.Przebieg ruszania statku z miejsca: tłokowy silnik spalinowy nawrotny, sprzężony
bezpośrednio z linią wałów i śrubą o skoku stałym.
P - maksymalna moc zewnętrzna silnika,
Pu - charakterystyka śrubowa pracy  na uwięzi",
Pst - charakterystyka śrubowa statyki swobodnego pływania,
Ro - charakterystyka regulatorowa obrotów przesterowania silnika.
W przypadku górnych wartości wymienionego czasu uruchamiania silnika może wystąpić już
pewien zauważalny ruch statku z miejsca. Proces ten obrazuje odcinek O-A, wtedy podczas
uruchamiania silnika w miarę upływu czasu i zwiększania się prędkości obrotowej układu
napędowego, szczególnie dla statków o stosunkowo niedużych masach, krzywa O-A
nieznacznie będzie odbiegać od charakterystyki śrubowej pracy  na uwięzi".
Właściwy i liczący się proces przyspieszania statku rozpoczyna się w zasadzie od punktu a,
względnie A i trwa do punktu B, zaś czas jego trwania jest nieporównywalnie dłuższy od
poprzedniego procesu O-A. Dla tej części procesu można przyjmować, że praktycznie
prędkości obrotowe silnika i śruby pozostają prawie stałe, odpowiadające nastawie regulatora
R0 (n = const.), a w miarę narastania prędkości ruchu statku charakterystyki śrubowe stają się
coraz lżejsze - punkty b, c. Proces przyspieszania kończy się w punkcie B, gdzie moc
dostarczana przez silnik wystarcza już tylko do pokonywania oporu statyki pływania.
Każdorazowo odcinek mocy (rzędna) od punktów przecięcia bieżących charakterystyk
śrubowych stałych prędkości pływania z charakterystyką regulatorową R, do charakterystyki
śrubowej statyki pływania, obrazuje tę część mocy dostarczanej przez silnik, która służy do
przyspieszania statku i pokonywania jego bezwładności. Czas wykonania manewru należy
powiększyć o "t = 5-30 s odpowiadający procesowi O-A.
Siłownie Okrętowe  ESO III 27
3.2. MANEWR RUSZANIA Z MIEJSCA STATKU Z SILNIKIEM NIENAWROTNYM I ZE
ŚRUB
O SKOKU NASTAWNYM
Przyjmijmy, że przed rozpoczęciem manewru silnik pracuje prawie luzem (prawie
nieobciążony) z prędkością obrotową no (odpowiadającą nastawie przesterowywania
regulatora), obracając linię wałów i śrubę nastawną ustawioną na skok H=O (nie wytwarza
siły naporu). W celu uzyskania prędkości pływania v należy zwiększyć skok śruby do
wielkości H1, a prędkość obrotową do wielkości n1. Aby uzyskać minimalny czas i minimalną
drogę wykonania manewru, tok postępowania winien być podobny, jak w przypadku
zwiększania prędkości pływania statku ze śrubą stałą. W pierwszym etapie manewru
zwiększa się przede wszystkim prędkość obrotową do wartości n1 i w jakimś stopniu skok
śruby - jednak na tyle, aby nie przeciążyć silnika, a już w żadnym razie nie przeciążyć tak, by
nastąpiło obniżenie jego prędkości obrotowej. Czas trwania tego etapu manewru jest tak
krótki, iż praktycznie statek jeszcze nie ruszy z miejsca. Dopuszczalne więc jest w dalszym
ciągu założenie v = 0. W następnym etapie, długotrwałym, zachodzi właściwe ruszanie
(przyspieszanie) statku. Przy ustalonej prędkości obrotowej n1, w miarę narastania prędkości
pływania jest zwiększany skok śruby aż do wartości H1 - przy ustalonym, dopuszczalnym
momencie obrotowym silnika, który dopiero w końcu drugiego etapu przyspieszania statku
nieco maleje. Wielkości n oraz H wynikają z zasady doboru optymalnej pary nastaw układu
napędowego ze śrubą nastawną.
4. MANEWR HAMOWANIA I ZATRZYMANIA STATKU
Manewr polega na doprowadzeniu prędkości statku do zera. Zależnie od rozwiązania
konstrukcyjnego układu napędowego oraz zależnie od sytuacji eksploatacyjnej, tzn. czy
manewr może trwać dłuższy czas, czy też należy wykonać go możliwie szybko, zatrzymanie
statku może być przeprowadzone w różny sposób:
1. hamowanie i zatrzymanie statku ze śrubą wolno obracającą się,
2. hamowanie i zatrzymanie statku ze śrubą zastopowaną,
3. hamowanie i zatrzymanie statku z pracą śruby  na wstecz"
Pierwszy z wymienionych sposobów trwa najdłużej i najdłuższa jest droga, jaką przebędzie
statek w czasie tego manewru, tzw. wybieg statku. Drugi sposób jest krótszy, zaś trzeci z
pracą  na wstecz" jest najkrótszy w czasie; najmniejsza jest też wtedy droga hamowania, aż
do zatrzymania statku.
4.1. ANALIZA MANEWRU ZATRZYMANIA STATKU - ŚRUBA O SKOKU USTALONYM
Analizę tego manewru omówimy w oparciu o 0 niżej. Na rysunku tym krzywa Plrp oznacza
zapotrzebowanie mocy na obracanie wysprzęglonej linii wałów i śruby;
natomiast:
Plsp= Plrp+Pl.sle
gdzie:
Plrp - strata mocy obracania śruby,
Plsle - suma strat mocy linii wałów i zasprzęglonego z nimi a nie pracującego silnika
Siłownie Okrętowe  ESO III 28
Wreszcie wielkość Plsp oznacza straty mocy wynikające z oporów zastopowanej
mechanicznie śruby - śruba i linia wałów nie obracają się. Przyjmuje się, że przed
rozpoczęciem manewru statek poruszał się z ustaloną prędkością v1 (statyka pływania -punkt l
na 0 niżej). Pierwszą czynnością zatrzymania jest przesterowanie nastawy regulatora
prędkości obrotowej na tzw. obroty przesterowywania G0 i następnie ewentualne
wysprzęglenie silnika - odłączenie napędu linii wałów i śruby. Wówczas, jeśli został
wysprzęglony napęd śruby, natychmiastowo spada obciążenie silnika napędowego. Jeśli nie
zostałaby zmieniona nastawa regulatora prędkości obrotowej i pozostaje G1, praca ustali się w
punkcie 2. Odnośnie do linii wałów i śruby, przy na razie nie zmienionej prędkości statku v1,
także natychmiastowo zmniejsza się moment obrotowy po linii 1-3. W punkcie 3 jest równy
zeru, a za chwilę ma wartość ujemną, gdyż śruba i linia wałów są obracane wodą napierającą
na skrzydła poruszającej się wraz z kadłubem śruby (tzw. praca turbinowa śruby - bierne
hamowanie, śrubą). Śruba nie wytwarza wtedy siły naporu, ale przeciwnie - stanowi
dodatkowy opór ruchu statku. Nastąpiła zmiana kierunku działania jej siły naporu na
przeciwny. Ujemny napór śruby dokłada się do oporu ruchu kadłuba. W tej sytuacji punkt
współpracy kadłub + śruba ustali się w 4. Zrozumiałe, że równocześnie obniży się nieco
prędkość obrotowa śruby. Rzędna punktu 4 obrazuje moc hamowania przez swobodnie
obracającą się śrubę. W miarę jak zmniejsza się prędkość statku, maleje również wielkość
obrotów śruby, a punkt współpracy swobodnie obracającej się za kadłubem śruby
przemieszcza się po linii Plrp w kierunku 0. Maleje też stopniowo moc biernego hamowania
śrubą. Jest to proces długotrwały, a łączną pracę hamowania statku w jakimś stopniu obrazuje
trójkąt 0-3-4-0 (w tym procesie n ~ t).
Px
Rys.14. Analiza manewru zatrzymania statku - bez pracy śruby na wstecz
Podobnie przebiega zjawisko hamowania biernego ruchu statku obracającą się śrubą, gdy
pozostaje ona zasprzęglona z silnikiem przestawionym na pracę luzem, lub w ogóle nie
pracującym.
Siłownie Okrętowe  ESO III 29
W pierwszym przypadku tak długo, jak długo prędkość obrotowa silnika obracanego śrubą
jest większa od obrotów nastawy przesterowywania Go, a w drugim w ogóle nie jest
podawane paliwo do cylindrów silnika. Wtedy śruba musi dodatkowo obracać także
wszystkie części ruchome silnika (wykonywać pracę strat mechanicznych w silniku), co
zmniejsza wielkość jej obrotów i tym samym zwiększa efektywność hamowania. Hamowanie
to obrazuje krzywa Plsp i punkt 5. Moc hamowania całym zespołem napędowym jest większa
niż w przypadku uprzednio omówionym, a tym samym czas manewru i droga będą mniejsze.
Znacznie lepszy efekt biernego hamowania śrubą uzyskuje się wówczas, gdy linia wałów i
śruba mogą być zastopowane i w ogóle nie obracają się. Dlatego też tam, gdzie konieczne są
krótkie czasy i drogi hamowania, na liniach wałów montowane są hamulce (cierne) lub
stopery. Wówczas współpraca ustali się w pierwszej chwili w punkcie 6 -moc hamowania
śrubą jest znacznie większa niż poprzednio. Następnie proces odbywa się po odcinku 6 - 0.
Jest to proces w dalszym ciągu długotrwały, ale krótszy niż dla sytuacji omawianych wyżej.
A
ączna moc hamowania jest znacznie większa i obrazuje ją trójkąt 0-3-6-0.
Wreszcie, jeśli okręt posiada dodatkowe urządzenia biernego hamowania ruchu, wówczas za
pomocą tych urządzeń można także poważnie skrócić czas i drogę jego zatrzymania. Wtedy w
pierwszej chwili po wysprzęgleniu napędu i po zastopowaniu śruby oraz po włączeniu
dodatkowego hamowania praca ustali się na charakterystyce poniżej P"b (nie przedstawionej
na 0 wyżej) następnie w miarę spadku prędkości przesuwa się do zera. Wówczas łączna moc
hamowania jest jeszcze większa, a czas trwania i droga manewru będą odpowiednio krótsze.
Jeszcze mniejszy czas i wybieg w omawianym manewrze uzyska się wtedy, gdy śruba
podejmie czynne hamowanie pracą  na wstecz". Ten sposób hamowania jest najbardziej
efektywny. Wielkościami, które przede wszystkim charakteryzują manewr zatrzymania
statku, są:
" czas zatrzymania t,
" droga wybiegu Sh jaką w tym czasie on przepłynie.
Proces liczy się od chwili początku zadziałania na regulator prędkości obrotowej (jeśli
pierwszą czynnością było zmniejszenie wielkości obrotów silnika), bądz
od chwili zadziałania
na sprzęgło rozłączno-nawrotne w celu wysprzęglenia napędu linii wałów i śruby, jeśli to
było pierwszą czynnością, aż do czasu, gdy statek zupełnie się zatrzyma (v = 0).
Przy założeniach jak uprzednio, tzn. woda spokojna, ruch statku prostoliniowy, dla określenia
parametrów manewru statku można wykorzystać równania opisujące ruch w  kanale
prędkości". Jednocześnie należy mieć na względzie, że w procesie hamowania dv/dt < O,
oraz, że siła naporu śruby Teh jest oporem, tzn. ma znak minus, ten sam znam, co opór
kadłuba. W tej sytuacji równania dla układu silnik(i)+śruba(y)+kadłub będą miały postać:
(m + "m)d� = - "Teh - R1 �ł
�ł
d�
żł
d�
�ł
" Ji = "TtqmTtqtmTtqs
dt �ł
gdzie:
Teh - bierny opór hamowania śrubą,
M - ewentualny moment silnika w razie czynnego hamowania śruby pracującym silni-
kiem, lub moment strat mechanicznych obracania go pracą turbinową śruby (Mstr.ss.)
Jeśli silnik i linia wałów są rozsprzęglone, wówczas Ttq = 0, zaś hamowanie odbywa się tylko
poprzez opór śrub swobodnie obracających się Ttqs, i w pewnej mierze wskutek strat tarcia w
Siłownie Okrętowe  ESO III 30
łożyskach linii wałów Ttqt. Jeśli silnik jest zasprzęglony, ale nie pracuje, wówczas także Ttq =
0, lecz w to miejsce pojawia się ujemny składnik strat mechanicznych silnika Ttqstr.ss, wtedy na
hamowanie składa się opór śrub swobodnie obracających się, opory tarcia w łożyskach linii
wałów i opory strat mechanicznych części ruchomych silnika - obracanych przez śrubę.
Z pierwszego z równań otrzymamy:
0
�d�
th=-(m+"m)
+"N +Nh+"Nh+"t
�1
s
0
�2d�
Sh=-(m+"m)
+"N +Nh+"Nh+�1"t
�1
s
gdzie:
Ns - moc na stożku śruby biernego hamowania statku śrubą,
Nh - moc oporu holowania kadłuba statku,
"Nh - moc biernego hamowania ruchu statku dodatkowymi urządzeniami
hamującymi.
Z zależności tych wynika, że parametry charakteryzujące manewr hamowania statku, tzn.
czas i droga tego procesu zależą od jego masy m i masy "m strumienia nadążającego wody,
początkowej prędkości jednostki vi, wielkości mocy holowania statku Nh a dokładniej
wielkości oporu statyki pływania kadłuba R (Nh = Rv), od wielkości mocy ujemnego naporu
(oporu) śruby Ns a także ewentualnie od wielkości mocy hamowania i dodatkowymi
urządzeniami hamującymi. Praktycznie można wpływać tylko na wielkość mocy oporu śruby
(obciążając ją silnikiem bądz
stopując. Znając wielkość siły hamowania śrubą Teh można
określić wielkość mocy hamowania Nh = Teh �" v.
V, n, Ttq
V
n, ns
Ttq, Ttqs
V
ns
n
Ttq
0
�
Ttqs
t
Rys. 15. Manewr zatrzymania, statku w funkcji czasu, przy biernym hamowaniu śrubą
(bez pracy śruby na wstecz)
Ttq, n - moment i prędkość obrotowa silnika napędu,
Siłownie Okrętowe  ESO III 31
Ttqs ns , - moment i prędkość obrotowa śruby,
v - prędkość statku,
t  czas.
Manewr hamowania przez niepracujący silnik jest zmienny ze względu na opór. Wielkość
tego oporu zależy od konstrukcji i rodzaju silnika, od rodzaju zastosowanych materiałów par
ciernych, dokładności ich obróbki i pasowań oraz od stopnia zużycia elementów i
podzespołów ruchomych silnika względem siebie. Przyjmuje się, ze wielkość ta jest w
przybliżeniu równa stratom mechanicznym w czasie pracy silnika z tą samą prędkością
obrotową przy obciążeniu odpowiadającym nominalnej charakterystyce śrubowej statyki
pływania. Spotyka się propozycje, aby jako wartość momentu Ttq przyjmować Ttqnorn -
moment nominalny silnika.
Tstr.ss=Ttq(1-�m)
gdzie:
Ttqstr.ss  moment hamowania silnikiem,
Ttq - moment silnika przy tejże prędkości obrotowej w czasie pływania wg nominalnej
charakterystyki śrubowej,
�m - sprawność mechaniczna silnika.
Opór "R ewentualnych dodatkowych urządzeń hamujących może być określony tylko
poprzez badania modelowe, gdyż zależy od rodzaju urządzenia, jego kształtu, wielkości i
miejsca zamontowania na kadłubie.
4.2. MANEWR ZATRZYMANIA STATKU- ŚRUBA O SKOKU NASTAWNYM
Zupełnie inna jest sytuacja w przypadku układu napędowego ze śrubą nastawną. Manewr
zatrzymania statku jest wtedy znacznie prostszy w realizacji, a przy czynnym hamowaniu
pracą śruby na wstecz mniejsze jest niebezpieczeństwo przeciążenia silników.
Przeprowadzenie manewru polega w zasadzie tylko na przesterowaniu nastawy skrzydeł
śruby z dodatnich kątów natarcia na zerowy i następnie na kąty ujemne. Nie zachodzi
potrzeba wysprzęglenia napędu, włączania biegu wstecz przekładni rozłączne-nawrotnej, czy
też zatrzymywania silników nawrotnych i ponownego uruchamiania ich z obrotami
przeciwnymi.
Omawiany manewr zazwyczaj realizowany jest poprzez czynne hamowanie śrubą - pracą
śruby  na wstecz". Zależnie od tego, jak duża jest prędkość pływania, z której ma być
wyhamowany statek, wielkość skoku śruby pracy  na wstecz", którą można już na początku
manewru zastosować, jest różna. Ogólną zasadą czynnego hamowania śrubą nastawną tak
pracującą jest dążenie do stosowania przede wszystkim wysokich prędkości obrotowych, a
dopiero w dalszej kolejności zwiększanie skoku - ale tylko w takim stopniu, aby nie
przeciążyć silnika. Wtedy, gdy prędkości obrotowe śrub stosowane podczas pracy  na
wstecz" (podczas hamowania) są bliskie nominalnym, to maksymalne ujemne skoki stosuje
się co najwyżej do ok. 0,5 (niekiedy do ok. 0,6) maksymalnego skoku śruby pracy naprzód.
W razie zastosowania większych skoków wystąpiłoby przeciążenie silnika, jako że są wtedy
zmienione, mniej korzystne warunki hydrodynamiczne pracy śruby oraz nieodpowiedni
kształt profili skrzydeł dla pracy z ujemnymi kątami natarcia.
Siłownie Okrętowe  ESO III 32
5. ZMIANA KIERUNKU RUCHU STATKU NA RUCH PRZECIWNY
Zmiana ruchu statku poruszającego się początkowo z prędkością v1 na przeciwny polega na
hamowaniu go aż do pełnego zatrzymania (v = 0), a następnie na wprawieniu go w ruch w
przeciwnym kierunku aż do żądanej prędkości, to jest ruszenie go z miejsca i przyspieszenie
w odwrotnym kierunku.
Podobnie, jak poprzednio, w rozpatrzony będzie najpierw do układ napędowy ze śrubami o
skoku ustalonym i silnik nawrotny gdzie manewr odbywa się poprzez zatrzymanie i ponowne
wprawienie w ruch w kierunku przeciwnym.
Głównymi wielkościami, które charakteryzują manewr przejścia statku z ruchu  naprzód" na
 wstecz", są:
czas wyhamowania statku (czas zatrzymania) oraz droga jaką przepłynie on w tym czasie.
Proces ten liczy się od chwili początku zadziałania na regulator prędkości obrotowej silnika
zespołu napędowego w celu wykonania manewru, do chwili zatrzymania się statku (v =0),
czas wykonania całego manewru przejścia statku na ruch przeciwny liczący się od chwili
początku zadziałania na regulator prędkości obrotowej silnika do chwili uzyskania
oczekiwanej prędkości v2 ruchu wstecz, oraz drogi tego manewru.
V, S
S tgŚ=0; V=0
V>0
V1
tgŚ<0; V<0
Ś
ds
tgŚ ~ V =
dt
Ś1
ds
tgŚ1 ~ = V1
dt
t1
0
�
th
t
V<0
V2
Rys. 16. Podstawowe wielkości manewru przejścia statku z ruchu  naprzód" na
 wstecz"
Znajomość złożonych procesów zachodzących w czasie manewru przejścia statku na ruch w
kierunku przeciwnym, ma ważne znaczenie dla określenia działających sił i momentów w
elementach i podzespołach napędu okrętowego (w silnikach głównych, przekładniach,
sprzęgłach, liniach wałów i śrubach). To z kolei pozwala na wypracowanie wskazówek
(wytycznych) właściwego sposobu przeprowadzenia tego manewru tak, aby nie dopuścić do
przeciążeń, zapewnić możliwie wysoką niezawodność działania i uzyskać możliwe niskie
wielkości czasu i drogi manewru.
Sw
Sh
Siłownie Okrętowe  ESO III 33
Stosuje się przy tym przyjętą wcześniej w założeniach zasadę quasi-stacjonarności
charakterystyki oporowej kadłuba statku, R = f(v), i mocy jego holowania Ne = f(v),
charakterystyk śrubowych momentu śruby Ttq(n, v) i naporu śruby Te(n, v), a także
zewnętrznej charakterystyki silnika i zużycia paliwa.
Procesy biernego hamowania statku ze śrubą o skoku stałym do v = 0, w sytuacji, gdy nie są
uruchamiane obroty śruby w kierunku przeciwnym są mało praktyczne. Najczęściej
występuje taka sytuacja, że manewr przejścia statku z ruchu  naprzód" na  wstecz", lub
odwrotnie, jest ograniczony w czasie i długości drogi. Wówczas, w celu uzyskania większej
efektywności hamowania ruchu statku, zachodzi konieczność czynnego hamowania śrubą,
tzn. pracy śruby z obrotami przeciwnymi niż przed manewrem. Wtedy istota procesu
hamowania statku pozostaje taka sama i kierunki działania sił te same, co w czasie
hamowania biernego - drogi i czasy pozostają nie zmienione. Jednakże proces staje się
bardziej złożony w praktycznej realizacji niż wtedy, gdy praca śruby  na wstecz" nie
występuje.
Dla tej części manewru hamowania (praca śruby  na wstecz") we wzorach obliczeniowych
określających czas wyhamowania statku i wybieg, wśród wielkości występujących w
wymienionych wyrażeniach, na ogół jest znana tylko masa okrętu m, charakterystyka
śrubowa statyki pływania R = f(v) oraz w przybliżeniu masa strumienia nadążającego wody
towarzyszącej ruchowi kadłuba "m. Poważne trudności powstają natomiast w określeniu
występujących wtedy wielkości ujemnego naporu śruby Te, który zależy od charakterystyki
hydrodynamicznej konkretnej śruby w warunkach konkretnego kadłuba przy równoczesnym
uwzględnieniu jej prędkości obrotowej i zmieniającej się prędkości ruchu statku. Z chwilą
rozpoczęcia obrotów śruby  na wstecz" siła jej ujemnego naporu dodatkowo zależy także od
momentu silnika napędu Ttq, który z kolei jest funkcją jego charakterystyki zewnętrznej.
Dopiero uwzględnienie tych wszystkich czynników pozwala na określenie zmieniających się
parametrów pracy silnika i śruby w procesie rewersowania, a w szczególności na określenie
wielkości siły ujemnego naporu Te w zmiennych warunkach pracy omawianego manewru.
Aby sprawy te móc analizować, konieczne są pewne uzupełnienia z zakresu
hydrodynamicznych charakterystyk śrubowych w pełnym zakresie możliwych sytuacji pracy
śrub napędów okrętowych.
Wielkość momentu śruby Ttqs, oraz jej siła ujemnego naporu Te w czasie zmiany kierunku
prędkości obrotowej zespołu napędowego mogą być określone w miarę dokładnie tylko na
bazie charakterystyk hydrodynamicznych śrub swobodnych, przy czym wówczas prędkość
statku, a konkretniej współczynnik posuwu J traktuje się jako zmienny parametr. W procesie
rewersowania ruchu statku, z upływem czasu manewru współczynnik naporu śruby KT,
momentu śruby KT oraz współczynnik posuwu J zmieniają swoje wartości i znak, przy czym
granice zmian współczynnika posuwu J, są nieograniczone. Znając wartość współczynnika J
dla każdej prędkości statku i każdej prędkości obrotowej śruby można określić wytwarzaną
wtedy siłę naporu śruby T oraz pobierany przez nią moment silnika Ttq. Można też, gdy śruba
nie jest napędzana, a statek się porusza (praca turbinowa śruby), określić wielkość oporu, jaki
za jej przyczyną dodatkowo powstaje oraz wielkość momentu Ttq, obrotowego
przekazywanego na linię wałów. Wykresy takie przedstawione przykładowo dalej w tekście,
są mało przydatne, gdy wielkość obrotów śruby jest równa zeru lub bliska zera. Wtedy J
", a wielkości współczynników naporu i momentu stają się nieokreślone. Tymczasem właśnie
w czasie rewersowania ruchu statku w tym obszarze manewru zachodzą zjawiska istotne z
punktu widzenia dynamiki procesu i poważne zmiany wielkości występujących sił oraz
momentów. Dlatego też sporządza się inne wykresy, gdzie na osi odciętych występuje
odwrotność współczynnika posuwu (Jo = J-1), zaś na osiach rzędnych KTv oraz KMv to znaczy
współczynniki naporu i momentu śrub odniesione do prędkości statku, a nie prędkości
obrotowej śruby. Ich postać jest następująca:
Siłownie Okrętowe  ESO III 34
1 nsD
J0= =
J �p
2
T D2ns T
KT�=KT J-2= =
2
�ns D4 �2 ��2D2
p p
2
Ttqs D2ns Ttqs
KM�=KM J-2= =
2
�ns D5 �2 ��2D3
p p
Przy takim podejściu, wielkość naporu (oporu) oraz momenty śruby przy bardzo małych
prędkościach obrotowych, a nawet równych zeru, są określone. Co prawda, znowu dla vp E" 0
E"
E"
E"
nieokreślone są współczynniki KTv oraz KMv, ale za to określone są KT oraz KM w funkcji J.
W sytuacji, gdy J = 0 siłę naporu i moment śruby określają równania:
T=KT� ��2D2
p
Ttqs=KM� ��2D3
p
Z przedstawionych wykresów widać, jak nieregularne są zmiany współczynników naporu i
momentu, zwłaszcza w chwili zmiany kierunku prędkości obrotowej śruby, jak trudny byłby
analityczny opis ich przebiegów, a także jak wielki jest wpływ geometrii śrub, a szczególnie
współczynnika skoku H/D oraz współczynnika powierzchni skrzydeł
K
T
1,0
vp>0 ; n>0 vp<0 ; n<0
vp<0 ; n>0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
1
0,3
0,2
0,1
-J J
0,1 0,1
1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,3 1,4
1,2
2
0,2
8
0,3
0,4
9
0,5
0,6
8
0,7
11 12 13
0,8
0,9
vp>0 ; n<0 vp<0 ; n<0 vp>0 ; n>0
1,0
-K
T
Rys. 17.Zależność KT od  J dla serii So/S=0.5 i z=3;
H
/
D
=
1
,
6
1
,
4
1
,
2
1
,
0
0
,
8
0
,
6
6
,
0
8
,
0
0
,
1
2
,
1
4
,
1
6
,
1
=
D
/
H
Siłownie Okrętowe  ESO III 35
-10KM
vp<0 ; n>0 vp>0 ; n>0 vp<0 ; n<0
2,0
1,5
1,0
1
0,5
2
-J J
1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4
13
11
0,5
12
10
9 1,0
1,5
8
vp>0 ; n<0 vp<0 ; n<0 vp>0 ; n>0
2,0
10KM
Rys. 18. Zależność KM od  J dla serii So/S=0.5 i z=3;
Aby określić wielkości sił i momentów śruby w czasie rewersowania, konieczne są bieżące
odczyty wielkości z odpowiednich wykresów. Należy przy tym przestrzegać zasady znaków
przedstawionej w tabeli.
Tabela Zasady znaków parametrów manewru przejścia statku z ruchu  naprzód" na
 wstecz" i odwrotnie
Rodzaj ruchu statku
Hamowanie Hamowanie
Wielkość Oznaczenie  Naprzód
ruchu  Wstecz ruchu
 naprzód  wstecz
+ + - -
Prędkość statku �
Napór śruby T + - - +
Moment śruby Ttqś + - - +
Prędkość obrotowa
nś + - - +
śruby
Współczynnik
J + - + -
posuwu śruby
H
/
D
=
1
,
6
1
,
4
1
,
2
1
,
0
0
,
8
0
,
6
6
,
0
=
D
/
H
8
,
0
0
,
1
2
,
1
4
,
1
6
,
1
Siłownie Okrętowe  ESO III 36
Wobec braku takich wykresów dla śrub o innych współczynnikach powierzchni skrzydeł
So/S, lub innej ilości skrzydeł z można przeprowadzić korektę odczytanych z tych wykresów
wartości współczynników naporu oraz moment. W tym celu oblicza się współczynnik
korekcyjny ks:.
S0 Z S0 Z
�ł �łwykr. �ł �łwykr.
�ł �ł �ł �ł
S S
�ł łł �ł łł
ks = =
S0 Z S0 Z
�ł �łoblicz. �ł �łoblicz.
�ł �ł �ł �ł
S S
�ł łł �ł łł
gdzie:
- indeks  wykr." oznacza wartości odczytane z wykresów dla śruby możliwie
zbliżonej do śruby będącej przedmiotem obliczeń,
- indeks  oblicz." oznacza So/S oraz liczbę skrzydeł śruby będącej przedmiotem
obliczeń.
Wtedy współczynnik naporu analizowanej śruby:
KT
'
KT=
ks
gdzie:
- KT wartość współczynnika naporu śruby zbliżonej (z wykresu), tzn. o takim samym
H/D i o możliwie bliskich wartościach S0/S oraz z.
Przez analogię można przyjmować podobną zależność także dla współczynnika momentu:
KM
K' =
M
ks
gdzie:
- KM wartość współczynnika momentu śruby zbliżonej (z wykresu).
5.1. OPIS MANEWRU PRZEJŚCIA NA RUCH W KIERUNKU PRZECIWNYM RUCHU -
ŚRUBA O SKOKU USTALONYM
Manewr ten można omówić w sposób ogólny według rysunku 4. Jednocześnie
charakterystyczne punkty tego manewru zostały naniesione na rysunkach 2 i 3, co powinno
pozwolić na lepsze zrozumienie istoty manewru i zachodzących zjawisk.
Siłownie Okrętowe  ESO III 37
Px Psx
P
10
9
11
Rys. 19.Zmiany parametrów pracy zespołu napędowego w czasie manewru przejścia
statku z ruchu  naprzód" na  wstecz"
Pst.N - krzywa śrubowa statyki pływania swobodnego naprzód,
Pst.w - krzywa śrubowa statyki pływania swobodnego wstecz,
Pu.w - krzywa śrubowa statyki pracy na uwięzi na wstecz,
PN.W - chwilowa krzywa śrubowa, gdy statek płynie jeszcze naprzód a śruba pracuje
już wstecz,
Pstr.o.s - moc hamowania śrubą swobodnie obracającą się, (moc hamowania poprzez
swobodnie obracającą się śrubę połączoną poprzez linię watów z nie pracującym
silnikiem napędowym).
Pstr.z.- moc hamowania poprzez swobodnie obracającą się śrubę połączoną poprzez
linię watów z nie pracującym silnikiem napędowym.
Statek przed manewrem ruchu poruszał się naprzód z pewną ustaloną prędkością v1 statyki
pływania 1 (punkt l na 0 wyżej). Odpowiadała temu jakaś nastawa regulatora prędkości
obrotowej i dalej: jakaś prędkość obrotowa n silnika, właściwa im wielkość obrotów śruby,
moc silnika i śruby, dodatnie wartości współczynników KT, KM; oraz napór śruby T. Manewr
rozpoczyna się od zmiany nastawy regulatora prędkości obrotowej poprzez zmniejszenie jego
nastawy. Po przesterowaniu (zmniejszeniu) nastawy regulatora prędkości obrotowej na obroty
niskie, natychmiast zostaje wstrzymane podawanie paliwa do cylindrów silnika, zanika jego
moment użyteczny i obniża się prędkość obrotowa układu napędowego. Statek wskutek
bezwładności porusza się w dalszym ciągu naprzód, a jego prędkość pływania w tak krótkim
czasie praktycznie pozostaje niezmieniona. Natomiast wzrasta wielkość współczynnika
posuwu J, gdyż zmniejszy się prędkość obrotowa śruby. W punkcie 2 napór wytwarzany
przez śrubę jest równy zeru, a przy dalszym spadku jej obrotów staje się ujemny - śruba staje
się z
ródłem oporu dla ruchu statku.
Siłownie Okrętowe  ESO III 38
Współczynnik KT przyjmuje wartości ujemne, a praca śruby jest  turbinowa". Następnie, w
miarę obniżania się prędkości statku, maleje prędkość obrotowa obracanej wodą śruby, a
punkty współpracy biernie pracującego zespołu napędowego przesuwają się w lewo po linii
Nstr.z (strat obracania śruby i silnika). W miarę dalszego spadku prędkości statku współpraca
kadłub-śruba przesuwa się w lewo od punktu 5 po krzywej oporów. Proces ten trwa do punktu
6, gdy prędkość obrotowa śruby obracającej się stanowi około 30-40% wielkości obrotów
nominalnych, dopuszcza się wtedy hamowanie silnikiem. Następuje gwałtowne hamowanie
prędkości obrotowej, linia wałów i śruba zostają zatrzymane, a następnie są przyspieszane w
kierunku przeciwnym. Warto zwrócić uwagę, że w chwili zatrzymania się linii wałów i śruby
moment silnika nie jest równy zeru, gdyż ze względu na to, że statek płynie jeszcze z pewną
prędkością do przodu, woda napływająca na skrzydła śruby usiłuje ją obracać - silnik to
wyhamowuje. Pomaga w tym, co prawda niewielki, moment tarcia elementów ruchomych
silnika i linii wałów, ale w obliczeniach technicznych jest to wielkość pomijalna.
Zapotrzebowanie mocy dla hamowania linii wałów i śruby, a następnie przyspieszanie ich w
kierunku przeciwnym jest tak duże i tak szybkie, że droga zmiany momentu poważnie
odbiega od statycznej charakterystyki regulatorowej.
Położenie punktu 8 zależy przede wszystkim od masy linii wałów, śruby i jej geometrii, a z
drugiej strony - od konstrukcji i mocy silnika, czułości jego regulatora prędkości obrotowej i
rozwiązania układu paliwowego. Zależy też od prędkości obrotowej śruby w chwili, gdy
włączane są obroty wstecz. Jeśli obroty są większe od ok. 30-40% wielkości obrotów
nominalnych naprzód, wówczas wyhamowanie ich do zera jest niedopuszczalne. W punkcie 8
lub jego otoczeniu, silnik i śruba pracują na wstecz, jednakże wielkość obrotów silnika jest
znacznie mniejsza od zadanych nastawą regulatora. Regulator usiłuje, więc w dalszym ciągu
doprowadzić do wartości obrotów według nastawy zwiększając dawki paliwa do cylindrów
silnika, a tym samym powiększa moment obrotowy. Wzrasta, więc o prędkość obrotowa
według krzywej 8 - 9, a następnie do punktu 10 po zewnętrznej charakterystyce granicznej
mocy silnika. Z chwilą uzyskania zadanej nastawą regulatora wartości obrotów, nie występuje
już potrzeba dalszego ich zwiększania, więc regulator zmniejsza dawki paliwa - proces 10-11.
Tymczasem statek w tym tak krótkim czasie praktycznie wcale lub bardzo nieznacznie
zmniejszy swoją prędkość - porusza się w dalszym ciągu w poprzednim kierunku. Gdyby
statek stał w miejscu, wówczas byłaby to tzw. praca na uwięzi, a punkt współpracy leżałby na
przecięciu się statycznej charakterystyki regulatorowej nastawy z charakterystyką śrubową
pracy na uwięzi (warto w tym miejscu nadmienić, że charakterystyki śrubowe pracy na uwięzi
naprzód i wstecz nie są identyczne). Jednakże statek nie stoi, lecz wręcz porusza się w
przeciwnym kierunku. Z tego wynika, że jego charakterystyka śrubowa w rozpatrywanej
sytuacji jest bardziej  ciężka" niż charakterystyka śrubowa pracy na uwięzi.
Niech będzie to krzywa śrubowa NN.W gdzie indeks N. oznacza ruch statku naprzód, zaś
indeks W - obroty śruby wstecz. Punkt 11 przecięcia się tej charakterystyki śrubowej z
charakterystyką regulatorową jest tym chwilowym stanem pracy układu napędowego, gdzie
skończył się szybki proces narastania prędkości obrotowej zespołu silnik-śruba i związane z
tym zmiany momentu, a zaczął się długi w czasie właściwy proces hamowania statku pracą
śruby  na wstecz". W miarę, jak jest on wyhamowywany w swoim ruchu naprzód punkty
współpracy zespołu silnik-śruba przesuwają się po statycznej charakterystyce regulatorowej w
kierunku coraz lżejszych charakterystyk śrubowych od punktu 11 do punktu 12, gdzie
prędkość statku v = 0, J = 0. W tym chwilowym stanie można mówić o pracy śruby  na
wstecz" jakby na uwięzi. W punkcie 12 kończy się proces hamowania statku, a czas i drogę
(wybieg statku) tej części manewru będziemy oznaczać t h oraz S,. Począwszy od punktu 12
rozpoczyna się ruszanie statku z miejsca na wstecz, co było właściwie omówione dla
podobnego procesu tyle, że naprzód. Proces ten odbywa się praktycznie prawie, że przy
ustalonej prędkości obrotowej śruby.
Siłownie Okrętowe  ESO III 39
W miarę narastania prędkości statku ruchu wstecz, punkty współpracy przemieszczają się od
12 do 13 - kolejne charakterystyki śrubowe są coraz lżejsze. Aż do stanu 13 moc dostarczana
do śruby wystarcza na pokonywanie oporów bieżącej prędkości ruchu wstecz i jest jeszcze
pewien jej nadmiar do pokonywania bezwładności - do dalszego przyspieszania statku w
ruchu wstecz. Wreszcie w punkcie 13 dostarczana moc silnika wystarcza już tylko na
pokonywanie oporów statyki pływania wstecz z ustaloną prędkością a ta wystarcza tylko do
podtrzymywania prędkości w 13. Brak jest mocy na dalsze przyspieszanie statku. Punkt
współpracy układu silnik-śruba znajduje się na przecięciu statycznej charakterystyki
regulatorowej charakterystyką śrubową statyki pływania  wstecz". Wielkość mocy dla tego
stanu przedstawia rzędna punktu 13.
Na 0 wyżej brak jest parametru czasu, co utrudnia wyrobienie poglądu na szybkość zmian
poszczególnych procesów omawianego manewru.
Px Psx
Pst.w. Pst.n.
Puw
Puw
1
Pwn
10
9
11
8
12
R0
13
7
2
2'
0
nsx
3
4(6)
Pstr.o.s.
Rstab
Rys. 20. Zmiany parametrów pracy zespołu napędowego w czasie manewru przejścia
statku i ruchu  wstecz" na  naprzód"
W analogiczny sposób przebiega rewersowanie ruchu statku ze  wstecz" na  naprzód", co
przedstawia 0 wyżej. Tym razem, że wraz ze zmianą nastawy regulatora prędkości obrotowej
na obroty przesterowywania R0, Wtedy natychmiastowo spadnie obciążenie silnika, a jego
praca luzem ustali się w punkcie, 2 (gdy zostanie wysprzęglony silnik) lub 2, co odpowiada
pracy śruby i ustali się w punkcie 3, gdzie woda napierając na skrzydła śruby obraca ją i linię
wałów - napór śruby jest ujemny. Dalszy przebieg manewru odbywa się podobnie jak
uprzednio omówiony manewr przejścia ruchu statku z  naprzód" na  wstecz". Zatrzymanie
się statku (punkt 12) znajduje się tym razem na charakterystyce śrubowej pracy śruby na
uwięzi naprzód. Koniec manewru obrazuje punkt 13 leżący na przecięciu się charakterystyki
regulatorowej nastawy przesterowywania R0 z charakterystyką śrubową statyki pływania
swobodnego naprzód.
m
e
d
i
=
1
V
Siłownie Okrętowe  ESO III 40
5.2. ETAPY I PARAMETRY MANEWRU ZMIANY KIERUNKU RUCHU STATKU
Przeprowadzone pomiary parametrów pracy układu napędowego statków różnych typów w
czasie rewersowania z ruchu  naprzód" na  wstecz" i odwrotnie wykazały, że charakter
przebiegu zmian i wielkości obliczeniowe, na ogól są zgodne z wartościami rzeczywiście
występującymi w podzespołach i elementach układu napędowego w czasie tego trudnego do
analitycznego ujęcia, manewru. Jedynie w czasie aktywnego hamowania pracą śruby w
zakresie małych jej prędkości obrotowych dla -0,4 < J < +0,4, praca układu napędowego ma
charakter nieustalony (niestabilny), co objawia się poprzez znaczne pulsacje pracy śruby i
drgania rufy. Zrozumiałe, że niestabilność ta z kolei powoduje duże wahania w obciążeniu
silnika napędowego. Wynika to głównie z faktu, że w wymienionych zakresach
współczynnika posuwu J, tym samym lub bardzo zbliżonym wartościom KT oraz KM
odpowiadają różne wartości współczynnika posuwu J(J0). Przyczyną tego jest głównie
zjawisko kawitacji, jako że wtedy występuje odrywanie się strug opływających profile
skrzydeł, tworzenie się wirów wody, a nawet zasysanie powietrza znad powierzchni wody do
obszaru pracy śruby. Procesy te i ich przebieg zależą nie tylko od wzajemnych relacji
kierunku ruchu i prędkości statku względem kierunku i wielkości obrotów śruby, ale też w
dużej mierze od kształtu rufy i dopływu wody do śruby. Pewien wpływ ma także strumień
nadążający.
Ogólnie w wymienionym wyżej zakresie pracy śrub z reguły występują rozbieżności -
niekiedy nawet dość poważne pomiędzy parametrami obliczeniowymi manewru
rewersowania uzyskanymi na bazie współczynników KT oraz KM w oparciu o charakterystyki
hydrodynamiczne śrub swobodnych, a rzeczywistymi parametrami i wartościami obciążeń.
Należy stwierdzić, że nawet na bazie przedstawionych wcześniej hydrodynamicznych
charakterystyk śrub swobodnych (w pełnym zakresie ich pracy), nie można ująć wszystkie
uwarunkowania w konkretnych warunkach, konkretnego kadłuba z jednoczesnym
uwzględnieniem wzajemnych relacji różnych czynników. Nie znaczy to, że analiza tego
manewru w ogóle, a analiza procesu aktywnego hamowania statku pracą śruby są zupełnie
nieadekwatne do przebiegu rzeczywistych zjawisk i nieprzydatne do praktyki konstrukcji i
eksploatacji
W każdym razie pozwalają one na przedstawienie ogólnego obrazu zachodzących zmian, na
sporządzenie ogólnych charakterystyk procesów i oszacowanie obciążeń analizowanego
zespołu napędowego w czasie tego manewru. Umożliwiają jakościowe określenie tych
procesów i wyselekcjonowanie tych etapów manewru, w których występują największe
obciążenia i przeciążenia, co jest niezbędne do świadomego konstruowania i racjonalnie
uzasadnionej eksploatacji układu napędowego statku.
Rewersowanie ruchu statku niezależnie od rozwiązania konstrukcyjnego układu napędowego
(silniki nienawrotne, nawrotne, napęd śruby bezpośredni czy też poprzez sprzęgło rozłączno-
nawrotne), jeśli tylko śruby są o skoku ustalonym, przebiega w sposób dość podobny. Można,
więc podzielić cały manewr na podobne etapy. Różnice w rozwiązaniu układu napędowego
nie zmieniają ogólnego charakteru zachodzących procesów i zmian jakościowych, a jedynie
powodują zmiany ilościowe. Rzutują też na wielkość czasu wykonania manewru oraz drogę
manewru. Zazwyczaj, niezależnie od rozwiązania układu napędowego i zastosowanego
urządzenia (sposobu) rewersowania, przyjmuje się podział całego manewru na cztery etapy.
" Etap I. Od chwili zadziałania na regulator prędkości obrotowej w celu rozpoczęcia
manewru do chwili początku aktywnego hamowania linii wałów i śruby pracą silnika;
proces 1-2-3-4-5-6 na rysunku 5. Czas trwania tego etapu oznaczono jako "t1.
Przebieg zmian parametrów w czasie tego etapu obrazuje rysunek 21. Jest to etap z
Siłownie Okrętowe  ESO III 41
reguły długi czasowo, a właściwie długo trwa jego część polegająca na biernym
hamowaniu prędkości pływania. Jak wiemy, proces 1-2-3 zaniku dostarczania energii
z silnika napędowego do śruby na pracę turbinową, jest krótki w czasie (0,5 � 2
sekundy), ale na rysunku 7, aby był bardziej czytelny, czas ten przesadnie wydłużono.
tzn
�
V1 1
Ms
ns
Te
`
V V=0
6
2 7 12
13 V13=const.
11 ns
A Te
3
Ms
I II III IV
Etapy
"tI "tII "tIII "tIV
trn
tzo
tm
Rys. 21. Etapy zmiany kierunku ruchu statku
" Etap II. Od rozpoczęcia zmiany kierunku obrotów śruby (od początku aktywnego
hamowania śrubą-hamowania pracą silnika), do chwili uzyskania wielkości obrotowej
śruby  na wstecz" odpowiadającej nastawie regulatora. Innymi słowy, etap ten
obejmuje aktywne wyhamowanie prędkości obrotowej śruby i następnie
przyspieszanie jej w odwrotnym kierunku, aż do uzyskania właściwej wielkości
obrotów wstecz. Statek w tym czasie porusza się praktycznie w dalszym ciągu
naprzód prawie, że z poprzednią prędkością odpowiadającą początkowi tego etapu,
gdyż etap ten trwa krótko. Prędkość pływania statku podczas tego etapu nazywana jest
prędkością rewersowania prędkości obrotowej śruby. Na rysunku 7 czas trwania tego
etapu w stosunku do innych etapów manewru także został wydłużony, aby rysunek był
bardziej czytelny.
" Etap III. Liczy się od chwili uzyskania wielkości obrotów wstecz przez linię wałów i
śrubę odpowiadających zadanej nastawie regulatora prędkości obrotowej - punkt 11),
do chwili wyhamowania ruchu statku naprzód (do chwili jego zatrzymania się; v = 0,
punkt 12). W czasie tego etapu śruba pracuje  na wstecz" w przybliżeniu prawie z
ustaloną prędkością obrotową. Jest to etap długotrwały w czasie, którego wskutek
Siłownie Okrętowe  ESO III 42
ujemnego naporu śruby następuje dalsze efektywne hamowanie płynącego naprzód
statku i wreszcie jego zatrzymanie. Czas etapu oznaczono "tIII.
" Etap IV. Liczy się od chwili zatrzymania się statku, a tym samym początku ruchu
wstecz {v = O - punkt 12), do chwili, gdy uzyska on prędkość ruchu wstecz statyki
pływania. Etap ten właściwie odpowiada manewrowi ruszania statku z miejsca i
przyspieszania go w ruchu wstecz. Czas trwania tego etapu oznaczono "tIV. Czas
zatrzymania statku  liczony od początku manewru do chwili, gdy jego prędkość v =
0 i jest sumą czasów trzech pierwszych etapów.
th="tI+"tII+"tIII
Natomiast czas całego manewru; od początku manewru do chwili, gdy nastąpi statyka
pływania statku na wstecz - czas rewersowania ruchu statku jest sumą wszystkich czterech
etapów:
t="tI+"tII+"tIII+"tIV=th+"tIV
Czas zatrzymania th oraz droga wybiegu należą do najważniejszych parametrów
eksploatacyjnych całego układu ruchowego statku i charakteryzują jego właściwości
manewrowe.
Wartość momentu strat całego zespołu napędowego przyjmuje się zazwyczaj w granicach
5�8% momentu nominalnego silnika w sytuacji, gdy nie pracujący silnik obraca się wraz ze
śrubą i wałem śrubowym (napęd bezpośredni).
Dla II etapu, czyli w czasie rewersowania równanie momentów zespołu napędowego ma
postać:
Ms=M-Mt-Mdyn.os
gdzie:
Ms - moment na stożku śruby,
M - moment użyteczny, rozwijany przez silnik w czasie czynnego hamowania
obrotów śruby i przyspieszania jej obrotów w kierunku przeciwnym,
Mt - moment strat tarcia linii wałów,
Mdyn.os. - moment dynamiczny części zespołu napędowego: śruby, linii wałów,
ewentualnie przekładni i sprzęgła (bez silnika napędowego).
Ponieważ moment strat tarcia Mt oraz moment dynamicznym Mdyn.os są wielkościami
niewielkimi, stąd wynika, że o wielkości momentu silnika M dla tego etapu manewru
decyduje głównie moment hydrodynamiczny śruby Ms. W procesie rewersowania obrotów
(etap II) zmienia się on w szerokich granicach i zależy przede wszystkim od liczby i kierunku
obrotów śruby n, oraz w dużym stopniu od prędkości statku v. Określenie momentu Ms, a
także odpowiadającego mu naporu śruby Tew jest możliwe w oparciu o kompleksowe
charakterystyki hydrodynamiczne śrub. Należy jednakże zaznaczyć, o czym wspomniano
wyżej, że w obszarze  0,4 < J < +0,4 występują pewne nieprawidłowości w pracy śrub
(pulsacje). W wymienionym zakresie małych wartości współczynnika posuwu J, wielkości
Km a tym samym i wielkości momentu śruby Ms, i jej siły ujemnego naporu (oporu) Tw, mogą
być określone najwyżej w pewnym przybliżeniu i w jakimś stopniu uśrednione.
Siłownie Okrętowe  ESO III 43
W czasie III etapu wielkości obrotów śruby i silnika są już prawie ustalone. W miarę
hamowania ruchu statku naprzód, obroty śruby i silnika napędu nieznacznie rosną, gdyż
kolejne charakterystyki śrubowe stają się coraz lżejsze, a regulator prędkości obrotowej
zawsze ma w jakimś stopniu ograniczoną czułość.
5.3. WYBRANE SZCZEGÓA
Y MANEWRU ZMIANY KIERUNKU RUCHU STATKU
Szczególną cechą tego manewru dla zespołów napędowych, w których tłokowy silnik
spalinowy nawrotny napędza bezpośrednio śrubę o skoku stałym, jest konieczność
zatrzymania silnika, a potem ponownego uruchomienia go w przeciwnym kierunku. Taki
sposób jest dominującym rozwiązaniem w zastosowaniach transportu morskiego.
Zależnie od konstrukcji układu napędowego statku, zmiana kierunku prędkości obrotowej
silnika może odbywać się łącznie z linią wałów i śrubą, bądz
też po odłączeniu ich od silnika
(rozsprzęgleniu), jeśli na linii wałów jest specjalne sprzęgło rozłączne - np. pneumatyczne lub
hydrokinetyczne. W pierwszym przypadku, gdy nie ma możności odłączenia śruby od silnika,
cały manewr zatrzymania silnika, a następnie uruchomienia go w przeciwnym kierunku, musi
odbywać się przy równoczesnym występowaniu hydrodynamicznego momentu obrotowego
śruby, wynikającego z ruchu statku i oddziaływania wody napływającej na jej skrzydła.
Zjawisko to utrudnia proces zatrzymania silnika, a następnie uruchomienia go z obrotami
przeciwnymi. Początek manewru rozpoczyna się zmianą nastawy regulatora prędkości
obrotowej na obroty przesterowywania. Tym samym zostaje wstrzymane podawanie paliwa
do cylindrów silnika. Praca (bierna) zespołu napędowego ustali się w punkcie 2' na rysunku 8.
Proces biernego hamowania ruchu statku śrubą i równania momentów są omawiane
wcześniej. Wraz ze zmianą prędkości statku i zmianą prędkości obrotowej biernego
hamowania śruby, zmienia się jej moment hydrodynamiczny. Istnieje taka sytuacja, przy
pewnej niedużej prędkości statku, że wielkość momentu pracy turbinowej śruby jest równa
wielkości momentu hamującego całego zespołu. Innymi słowy, w razie dalszego spadku
prędkości statku moment hydrodynamiczny śruby będzie zbyt mały by pokonać opory
obracania zespołu napędowego. Na 0 niżej odpowiada temu punkt 3, zaś prędkość statku
wtedy wynosi v=0.2�vn. W razie dalszego zmniejszania się prędkości statku, biernie pracująca
śruba a wraz z nią połączone linie wałów i silnik zatrzymają się, gdyż moment
hydrodynamiczny śruby w dalszym ciągu maleje według linii 3-3', zaś moment strat jest stały
lub nawet nieco rośnie 3-3" (zaczyna dominować udział tarcia spoczynkowego). Wtedy, to
znaczy przy takiej prędkości ruchu statku, nastąpi zrównanie momentu hydrodynamicznego
pracy turbinowej śruby z wielkością strat zespołu napędowego i zależy przede wszystkim od
wielkości i geometrii śruby, a także od wielkości strat mechanicznych zespołu napędowego
statku. Szczególnie współczynniki H/D oraz So/S mają duży wpływ na wielkość momentu
hydrodynamicznego pracy turbinowej śruby.
W celu zwiększenia efektywności hamowania statku śrubą, potrzeby stosuje się hamowanie
zwane potocznie  kontrpowietrzem". Do cylindrów silnika podaje się sprężone powietrze
instalacji rozruchowej dla hamowania ruchu tłoków i ruchu obrotowego całego zespołu
napędowego. Przyjmuje się, że nastąpiło to w punkcie 4. W wyniku dodatkowego momentu
hamującego prędkość obrotową silnika, następuje gwałtowny spadek obrotów śruby i dość
szybkie jej zastopowanie (4-5), przy prawie nie zmienionej jeszcze prędkości statku.
Siłownie Okrętowe  ESO III 44
Ttqx Ttqsx
0,8
Vx=0 0,4 0,6
Ttqsx
0,6
0,4
Vnx
charakterystyki regulatorowe
0,2
obrotów
0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
2
nx
-nx 3'
3
4
Nxstr.z.
Nx
str.z.
3''
2'
0,2
5
11
10 5'
V x=1,0
11'
0,4
9
10'
R0
9'
6
0,6
V x= 0
0,8
7
8 obroty stabilnej pracy silnika
8'
-tzw. pewnych zapłonów
zewnętrzna charakterystyka graniczna
pracy wstecz silnika
-Ttqx -Ttqsx
Rys. 22 . Manewr zmiany kierunku ruchu statku, zespól napędowy: tłokowy, nawrotny
silnik spalinowy i śruba o skoku ustalonym
Warto nadmienić, że efektywność  hamowaniu powietrzem" jest wysoka jedynie przy
stosunkowo małych prędkościach obrotowych silnika. Sposób ten może być tylko wtedy
stosowany, gdy odpowiednio obniży się prędkość statku i zmniejszą się odpowiednio obroty
silnika i śruby. Zależnie od konstrukcji silnika obroty te nie powinny przekraczać 40-50%
obrotów nominalnych. W razie podania sprężonego powietrza do cylindrów silnika przy zbyt
wysokich prędkościach obrotowych, otrzymuje się efekt odwrotny - zamiast hamowania
uzyskuje się tzw. silnik na sprężone powietrze - silnik zaczyna napędzać śrubę w poprzednim
kierunku. Ogólna zasada hamowania silnika powietrzem polega na tym, by praca jego
sprężania w cylindrach była większa od pracy rozprężania. Jeśli silnik ma stosunkowo niskie
obroty, równanie momentów dla procesu hamowania zespołu napędowego w silniku ma
postać:
d�
Mkp + Mt - Ms = -I�ł �ł
�ł �ł
dt
�ł łł
Siłownie Okrętowe  ESO III 45
gdzie:
Mkp - moment hamowania silnika powietrzem,
Mt - moment strat linii wałów i śruby,
Ms - moment hydrodynamiczny śruby;
Mdyn.s - moment dynamiczny zespołu napędowego,
I - wypadkowy moment bezwładności zespołu napędowego.
Po zatrzymaniu silnika i śruby powietrzem (punkt 5), jeśli sprężone powietrze z instalacji
rozruchowej będzie dalej podawane, silnik i cały zespół napędowy zacznie obracać się w
kierunku przeciwnym. Jeśli ciśnienie sprężonego powietrza nie jest odpowiednio wysokie,
zazwyczaj występuje pewien krótki czas zatrzymania się silnika, nie następuje bezpośrednie
przejście z jednego kierunku obrotów na przeciwny. Dopiero po wytworzeniu się właściwego
ciśnienia powietrza w cylindrach następuje pokonanie oporów spoczynkowych zespołu
napędowego i zaczyna się ruch w przeciwnym kierunku. Na 0 wyżej ruch ten rozpoczyna się
np. nie od punktu 5, lecz od punktu 5'. Aby zrealizować rozruch silnika od obrotów n = 0
(punkt 5 lub 5') aż do prędkości obrotowej stabilnej pracy, tzn. by spowodować zapłon (punkt
6) konieczny jest odpowiedni moment obrotowy, co wymaga odpowiedniej ilości sprężonego
powietrza z instalacji rozruchowej i to o odpowiednim ciśnieniu. Dla omawianego procesu
rozruchu 5'-6, ale jeszcze przed zapłonem silnika, można napisać równanie momentów
M =Ms+Mtz+Mdyn.z
pr
gdzie:
Mpr - moment indykowany powietrza rozruchowego silnika,
Mt - moment strat tarcia zespołu napędowego.
lub inaczej:
d�
I =M -Mtz-M
pr s
dt
Z chwilą uzyskania prędkości obrotowej wstecz rzędu 15-20% wielkości obrotów
nominalnych silnika (prędkość obrotowa zapłonowa), które właściwie gwarantują pewność
zapłonów, samoczynnie następuje podawanie paliwa do cylindrów. Po zapłonie i odcięciu
dopływu sprężonego powietrza z instalacji rozruchowej, zaczyna się właściwa praca  na
wstecz". Ponieważ zazwyczaj prędkość obrotowa silnika jest wtedy jeszcze mniejsza od
nastawy regulatora, dąży on do podniesienia jej podając duże dawki paliwa, co powoduje
gwałtowny wzrost momentu silnika i nawet pracę na zewnętrznej charakterystyce granicznej
(odcinki 6-7-8). Z chwilą uzyskania przez silnik prędkości obrotowej odpowiadającej
nastawie regulatorowej następuje zmniejszenie dawek paliwa, zmniejszenie momentu silnika
według krzywej statycznej charakterystyki regulatorowej NR0 - do punktu 9. Opisany odcinek
procesu rozruchu silnika na pracę wstecz (począwszy od punktu 5 (5'), jest krótki w czasie,
trwa najwyżej kilka - kilkanaście sekund. W tym czasie prędkość statku praktycznie nie
zmienia się, lub tylko minimalnie - odcinek 5-9.
Umownie przyjmuje się, że proces rozruchu silnika  na wstecz" i uzyskanie prędkości
obrotowej odpowiadającej nastawie regulatora kończy się na przecięciu statycznej
Siłownie Okrętowe  ESO III 46
charakterystyki regulatorowej zadanej prędkości obrotowej pracy  na wstecz", z
hydrodynamiczną charakterystyką momentu śruby odpowiadającej aktualnej prędkości ruchu
statku (praktycznie można przyjmować, że:
v9E"v5E"v4
Odcinek 9-10 obrazuje wyhamowywanie prędkości statku do zera, zaś 10-11 przyspieszanie
go w kierunku przeciwnym do odpowiedniej prędkości statyki ruchu wstecz. Ważne też są
zależności określające czas i drogę całego manewru. W razie potrzeby zwiększenia prędkości
ruchu wstecz, można to zrealizować poprzez zmianę nastawy regulatora prędkości obrotowej.
Manewr ten odbywa się tak samo, jak dla ruchu naprzód.
W sytuacji, gdy konieczne jest szybkie uzyskanie ruchu statku wstecz i to płynącego z dużą
prędkością naprzód, w przypadku silników wolnoobrotowych i średnioobrotowych
dopuszczalne jest rewersowanie obrotów nawet przy nastawie regulatora na prędkości
obrotowej maksymalnej. Innymi słowy, można nie przestawiać regulatora na mniejsze
prędkości obrotowe (na obroty przesterowywania), lecz  zgasić" silnik podczas pracy
naprzód, a następnie w odpowiedniej chwili zadać  powietrze hamowania". Wtedy proces
ponownego rozruchu silnika i pracy  na wstecz" będzie przebiegać 6-7-8'-9 -10'-ll'  na 0
wyżej. Zrozumiale, że wówczas czas pracy na zewnętrznej charakterystyce granicznej
(przeciążenie silnika momentem) będzie dłuższy, ale w dalszym ciągu jeszcze krótkotrwały,
ponieważ w tym czasie, a nawet aż do punktu 9', występuje głównie przyspieszanie tylko
prędkości obrotowej zespołu napędowego, co nie wymaga tyle energii, jak zmiana prędkości
okrętu. Statek w tak krótkim czasie właściwie nie zmieni swojej prędkości, co najwyżej
minimalnie. Gdyby jednak zaistniała taka sytuacja, w której zadana wielkość obrotów przy
pracy silnika  na wstecz" byłaby tak duża, że proces hamowania ruchu statku wymagałby
długiej pracy na zewnętrznej granicznej charakterystyce silnika, wówczas mogłoby dojść do
uszkodzenia silnika wskutek długotrwałego przeciążenia momentem obrotowym. Warto
zwrócić uwagę, że podczas pracy okrętowego zespołu napędu głównego, w tym także
podczas manewru rewersowania ruchu statku, zachodzi pewna przybliżona proporcjonalność
naporu T śruby o skoku ustalonym, do momentu na stożku śruby Ttqs z uwzględnieniem jej
zmieniającej się sprawności. Proporcjonalność ta wynika z zależności:
T�"v=2�"Ą�"n�"Ttqs�"�h oraz vE"H�"n
stąd:
T 2Ą
E" �h
Ms H
Po podstawieniu ogólnie znanych wyrażeń:
T=KT�"��"n2�"D4 i TTqs=KM�"��"n2�"D5
otrzyma się:
KT TD 2Ą
E" = �h
KM Ms H
D
Siłownie Okrętowe  ESO III 47
Zgodnie z wynikami badań modelowych śrub przedstawionych wcześniej, dla dość
szerokiego zakresu wartości odwrotności współczynników posuwu Jo = +0,6 do - " co (jak
wynika z tych rysunków) można z pewnym przybliżeniem przyjąć założenie, że zachodzi
przybliżona proporcjonalność współczynników naporu KT do współczynników momentu KM
a iloraz ich jest w przybliżeniu stały>
KT KTv
E" E" const dla - " < J0 < 0,6
KM KMv
Jak wykazuje dokładniejsza analiza charakterystyk przedstawionych na tych wykresach, w
czasie przejścia z prędkości obrotowych śruby naprzód na wstecz, wymieniony wyżej
stosunek współczynnika naporu do współczynnika momentu zależy głównie od
współczynnika skoku śruby i wynosi:
KT H KTv H
E" E"5,5�6,5
KM D KMv D
5.4. HAMOWANIE UKA
ADU NAP
DOWEGO POWIETRZEM ROZRUCHOWYM
Aby wykonać manewr zmiany kierunku obrotów śruby, należy wszystkie ruchome masy
układu napędowego (silnik z kołem zamachowym, linę wałów, śrubę, przekładnię sprzęgła
itp.) zahamować, dokonać rozruchu silnika w nowym kierunku i następnie przyspieszyć do
uzyskania żądanej liczby obrotów. W związku z tym, na czas wykonywania takiego manewru
decydujący wpływ będzie miała oprócz początkowej energii kinetycznej rozpędzonego statku,
energia kinetyczna zatrzymywanych urządzeń napędowych, określona przez ich moment
bezwładności i obroty jak również istniejące możliwości hamowania układu, wynikające bądz

to z właściwości samego układu napędowego, bądz
też z zastosowanych urządzeń
pozwalających skrócić czas trwania manewru. W porównaniu z napędem bezpośrednim,
napędy pośrednie z przekładnią mechaniczna i sprzęgłami hydrokinetycznymi lub
elektromagnetycznymi charakteryzują się, znacznie większymi momentami bezwładności
urządzeń napędowych.
Wynika stąd, że o ile w układzie napędowym siłowni z napędem pośrednim nie zostaną
przewidziane specjalne środki mające na celu skrócenie czasu wykonania nawrotu śruby, to
ten rodzaj napędu będzie ustępował napędowi bezpośredniemu pod względem własności
manewrowych.
Znaczną rolę w poszczególnych okresach wykonywania manewrów odgrywa typ
zastosowanego silnika napędowego. W okresie zatrzymywania układu napędowego nieco
korzystniejsze są silniki czterosuwowe, ponieważ ich średnie ciśnienie tarcia, przy
wchodzących w rachubę prędkościach tłoka, jest o około 30% większe niż w silnikach
dwusuwowych, dzięki temu maję one nieco większy moment hamujący.
Dla rozruchu natomiast korzystniejsze są silniki dwusuwowe dysponujące dwukrotnie
większą ilością skoków rozruchowych w porównaniu z silnikami czterosuwowymi o takiej
samej liczbie obrotów. Obecność turbodmuchaw doładowujących może wpływać
niekorzystnie w okrasie przyspieszania układu napędowego.
Możliwość szybkiego przyspieszania zależy tu od tego, czy turbodmuchawa może swobodnie
nadążyć z dostarczaniem koniecznej ilości powietrza. W niektórych przypadkach szybkie
przyspieszanie doładowanych silników dwusuwowych połączone jest z pewnymi
Siłownie Okrętowe  ESO III 48
trudnościami spowodowanymi nie uzyskaniem przez zespół doładowujący odpowiedniej
wydajności na skutek spadku temperatury spalin przy wykonywaniu manewrów.
Hamowanie układu napędowego powietrzem rozruchowym jest jednym z częściej
stosowanych środków mających na celu skrócenie czasu hamowania silnika i stanowi
najistotniejszą czynność przy wykonywaniu manewrów. Z tego też względu, celowym jest
bliższe poznanie pracy silnika w tym okresie. Sama czynność hamowania odbywa się w ten
sposób, że po pewnym okresie czasu od chwili odcięcia dopływu paliwa, przesterowywuje się
silnik biegnący nadal w pierwotnym kierunku na skutek, czego rozrząd silnika zostaje
ustawiony w położenie odpowiadające odwrotnemu kierunkowi obrotów. Zmiany, jakie zajdą
w tej sytuacji w rozrządzie, najlepiej zobrazują wykresy kołowe rozrządu dla silnika
czterosuwowego przedstawione na 0 niżej. Na wykresie lewym, przedstawione są okresy
otwarcia zaworów (odniesione do wału rozrządu) silnika przed przesterowaniem, na prawym
natomiast - po przesterowaniu, ale z zachowaniem tego samego kierunku obrotów. Jak widać
z tego rysunku po przesterowaniu silnika, zawory ssący i wydechowy zamieniają się swoimi
rolami z tym, że oczywiście zawór rozruchowy jak i dopływ paliwa są zamknięte. Gdy liczba
obrotów dostatecznie spadnie, można doprowadzać do cylindra powietrze rozruchowe, które
będzie dostarczane teraz w momencie, gdy tłok porusza się z dolnego zwrotnego punktu
(DMP) do górnego zwrotnego punktu (GMP), przez co uzyskuje się działanie hamujące.
Rys. 23. Wykresy kołowe rozrządu silnika czterosuwowego przed i po przesterowaniu
silnika przy niezmienionym kierunku obrotów
Efekty hamowania powietrzem rozruchowym pokazuje 0 niżej, przedstawiający czas
swobodnego hamowania z pełnego biegu statku, przy pracy z dwoma silnikami oraz z jednym
silnikiem. W pierwszym przypadku, pomimo większej prędkości początkowej wynoszącej 15
węzłów, śruba zatrzyma się po upływie 300 sekund, w porównaniu z zatrzymywaniem statku
z jednym silnikiem, dla którego czas zatrzymywania wynosi 430 sek. Spowodowane to jest
mniejszą pracą tarcia, przy napędzie jednym silnikiem. Stosując hamowanie powietrzem, czas
ten ulega znacznemu skróceniu
Większy efekt uzyskiwany jest przy hamowaniu jednego silnika. Jest on wynikiem
mniejszego momentu bezwładności układu napędowego. Z wykresu można zauważyć, że od
momentu rozpoczęcia hamowania powietrzem aż do zatrzymania się silnika upływa
stosunkowo krótki okres czasu w granicach 5 - 8 sekund.
Siłownie Okrętowe  ESO III 49
n
250
n=210
V=15k
200
n=166
V=12k
150
1 SILNIK
2 SILNIKI
HAMOWANIE POWIETRZEM
BM
100
ROZRUCHOWYM PRZY n=50obr/min
50
HAMOWANIE
HAMULCEM
t
0 60 120 180 240 300 360 420 480
Rys. 24. Porównanie czasów swobodnego hamowania z hamowaniem powietrzem
rozruchowym i hamulcem
Następnym zagadnieniem jest właściwy wybór momentu rozpoczęcia hamowania. Dla
podanego przykładu, hamowanie rozpoczęto w obu rozpatrywanych przypadkach dopiero
wtedy, gdy obroty silnika spadły do min. Liczba obrotów, przy których uzyskuje się właściwe
efekty jest różna dla różnych urządzeń napędowych. Zbyt wczesne rozpoczęcie hamowania
silnika powietrzem, a więc przy zbyt wysokich obrotach może dać efekt przeciwny do
oczekiwanego a mianowicie przyspieszenie urządzenia napędowego w pierwotnym kierunku
obrotów. Aby zaprezentować to stwierdzenie, rozpatrzone zostaną kolejno zależności
pochodzące z przebiegu hamowania przy niskich i wysokich obrotach.
0 niżej przedstawia przebieg hamowania powietrzem rozruchowym silnika dwusuwowego
bez doładowania przy niskich obrotach. Linia ograniczająca pole F1 i F2 na tym wykresie
odpowiada normalnemu sprężaniu i rozprężaniu powietrza w cylindrze. Przy hamowaniu
powietrzem, przesterowaniu silnika, tuż po zamknięciu szczelin wylotowych (punkt A)
zostaje otwarty zawór rozruchowy (punkt B) i sprężone powietrze jest doprowadzone do
cylindra. W tym czasie tłok porusza się od dolnego martwego punktu DMP do górnego
martwego punktu GMP, a więc zmniejsza objętość cylindra. Ciśnienie powietrza w cylindrze
wyrasta aż do punktu C, przy którym następuje zamknięcie zaworu rozruchowego. Należy tu
zauważyć, że w stosunku do normalnego czasokresu trwania rozruchu, zamknięcie zaworu
rozruchowego następuje znacznie wcześniej, a mianowicie w momencie, gdy ciśnienie w
cylindrze osiągnie wartość równą ciśnieniu powietrza rozruchowego. Spowodowane to jest
konstrukcją zaworu rozruchowego, która uniemożliwia wzrost ciśnienia w przewodach
rozruchowych powyżej ciśnienia powietrza rozruchowego. Po zamknięciu zaworu
rozruchowego, rozpoczyna się sprężanie powietrza zawartego w cylindrze aż do punktu D, w
którym osiągnięte zostaje ciśnienie, przy którym otwierają się zawory bezpieczeństwa silnika.
Ciśnienie to wynosi 60 - 65 atm. Aż do momentu osiągnięcia przez tłok górnego martwego
położenia określonego przez punkt E, sprężone w cylindrze powietrze rozruchowe, usuwane
jest przez zawór bezpieczeństwa do atmosfery.
Siłownie Okrętowe  ESO III 50
ciśnienie otwarcia zaw.
D
E
bezp.
F5
C
p pow. rozr.
+
F4
J
F
F F2
+1 F5
-
H
G
BDC A B 0 BDC
TDC
Rys. 25.Przebieg hamowania silnika powietrzem rozruchowym przy niskich obrotach
Przy powrotnym ruchu tłoka następuje rozprężanie pozostałego powietrza, które kończy się w
punkcie  F tj. w momencie otwarcia się szczelin wylotowych, pracę hamowania uzyskanego
w ten sposób określa równanie:
Lh = F1  F2 = F3  F4
gdzie:
F1 - powierzchnia pracy sprężania (pole A, B, C, D, E, O, A),
F2 - powierzchnia pracy rozprężania (pole E, F, G, O, E,)
F3  F4 - powierzchnia nadwyżki pracy sprężania (pole J, C, D, E, J, minus pole H, J,
B, A, H)
Praca hamowania będzie dodatnia tylko wtedy, gdy F1 > F2 lub gdy F3 > F4, co rzeczywiście
jest spełnione przy niewielkich obrotach silnika.
Rozpatrzmy z kolei przebieg hamowania powietrzem rozruchowym przy wysokich liczbach
obrotów. Przebieg linii B-C, podczas której sprężone powietrze dopływa przez zawór
rozruchowy do cylindra, zależy od prędkości tłoka. Przy nieruchomym tłoku linia ta byłaby
linią pionową, natomiast, czym większa będzie prędkość tłoka, a więc i obroty silnika, tym
mniejszy kąt będzie tworzyć z linią poziomą skutkiem, czego punkt  C określający moment
zamknięcia zaworu rozruchowego a tym samym i początek sprężania, położony bliżej
górnego zwrotnego punktu. Skutkiem tego maksymalne ciśnienie, przy którym następuje
otwarcie zaworu bezpieczeństwa. Zostanie osiągnięte znacznie póz
niej jak również może się
okazać, że nie zostanie ono osiągnięte nawet Wówczas, gdy tłok znajdzie się w górnym
martwym położeniu. Niezależnie od tego, przy wyższej liczbie obrotów silnika, następuje
większy spadek ciśnienia powietrza rozruchowego, tak, że zamknięcie zaworu rozruchowego
odbywać się będzie przy niższym ciśnieniu.
otwarcie zaw.
rozruchowego
cylindrze
ciśnienie w
otwarcie wylotu
zamknięcie zaw. rozruchowego
zamknięcie wylotu
Siłownie Okrętowe  ESO III 51
Oba te czynniki mogą powodować, że przy wyższych obrotach linia sprężania nie osiągnie
ciśnienia otwarcia zaworu bezpieczeństwa i cała ilość powietrza sprężonego w cylindrze
będzie ekspandować. Następstwem tego jest to, że praca rozprężania F2 będzie większa od
pracy sprężania F1, a więc uzyska się efekt przeciwny do zamierzonego, to znaczy
przyspieszanie ruchu silnika w pierwotnym kierunku obrotów. Przy jeszcze większych
obrotach silnika, praca przyspieszania silnika określona polem F 4  F 3 staje się coraz
większa i w przypadku, gdy punkt  C znajdzie się na linii J - E staje się równa polu F 4.
W silnikach czterosuwowych, przy których mogą występować wyższe ciśnienia końca
sprężania i przede wszystkim w silnikach wysokodoładowanych, w których zawory
bezpieczeństwa otwierają się przy wyższych ciśnieniach, hamowanie powietrzem
rozruchowym napotyka na trudności. Jedynie przy zupełnie małych obrotach osiąga się
otwarcie zaworów bezpieczeństwa i dochodzi rzeczywiście do procesu hamowania silnika.
Również stosowanie przy przesterowanym silniku, wtrysku paliwa zamiast "kontrpowietrza"
nie daje zamierzonego efektu. Najczęściej silnik zostaje również i w tym przypadku nie
wyhamowany, a przyspieszony w pierwotnym kierunku obrotów. Wynika to ze stosowanych
w silnikach ustawień wtrysku, które jest prawie, że symetryczne w stosunku do górnego
zwrotnego punktu tak, że występujące mniej więcej normalne spalanie paliwa przyspiesza
silnik w pierwotnym kierunku obrotów. Znaczne zwiększenie pracy hamowania uzyskuje się
przez sterowany upust powietrza. Sposób ten stosowany przez różne wytwórnie produkujące
silniki polega na otwieraniu w pobliżu GMP zaworów bezpieczeństwa przy pomocy
przymusowego sterowania. Ciśnienie w cylindrze spada wówczas według linii kropkowanej
na rysunkach 2-4 i 2-5 i praca sprężania redukuje się wówczas do wartości równej polu F5 lub
F 5. Takie urządzenie komplikuje rozrząd silnika i wymaga osobnego odprowadzania
powietrza usuwanego z cylindrów ze względu na jego silne zaoliwienie. Jeśli chodzi o
hamowanie silników "kontrpowietrzem , należy jeszcze podkreślić przewagę silników
dwusuwowych nad silnikami czterosuwowymi. W silnikach dwusuwowych praca hamowania
jest wykonywana, co jeden obrót w przeciwieństwie do silników czterosuwowych gdzie praca
hamowania jest wykonywana, co drugi obrót.
5.5. HAMULCE NA KOLE ZAMACHOWYM
Dalsze i znacznie skuteczniejsze możliwości zatrzymywania urządzeń napędowych uzyskuje
się za pomocą mechanicznie działających hamulców, w których energia kinetyczna
zamieniana jest w energię cieplną. Hamulce instalowane są na kole zamachowym bądz
, na
wale śrubowym i stosowane prawie zawsze dla silników o wyższej liczbie obrotów, dla
których hamowanie "kontrpowietrzem jest mało skuteczne.
Rys. 26.Schemat hamulca sterowanego sprężonym powietrzem
Siłownie Okrętowe  ESO III 52
0 wyżej przedstawia przykład hamulca uruchamianego sprężonym powietrzem, działającego
na koło zamachowe. Tego typu hamulce zostały zastosowane na dużej liczbie układów
napędowych z dwoma doładowanymi silnikami czterosuwowymi o mocy 1200 KM każdy. O
skuteczności działania takich hamulców informuje nas wykres przedstawiony na 0 wyżej, z
którego wynika, że czas zatrzymania silników przy zastosowaniu hamulców mechanicznych
ulega skróceniu do 6 - 8 sekund w stosunku do 290 sek. przy hamowaniu "kontrpowietrzem".
5.5.1 Wpływ obecności sprzęgieł hydrokinetycznych lub elektromagnetycznych na
właściwe manewrowanie
becność w układzie napędowym sprzęgieł hydrokinetycznych, względnie
elektromagnetycznych stwarza dodatkową możliwość polepszenia właściwości
manewrowych, a więc skrócenia czasu trwania poszczególnych manewrów. Rozpatrzmy
najpierw układ ze sprzęgłem hydrokinetycznym w wykonaniu manewru z biegu "naprzód" na
"wstecz jednocześnie z odcięciem dopływu paliwa do silników, sprzęgła zostają opróżnione
z oleju, dzięki czemu zostaje przerwane połączenie pomiędzy połówkami sprzęgieł i w ten
sposób silniki zostają odłączone od pozostałej części układu napędowego. Na skutek małego
momentu bezwładności samych silników, mogą one zostać zatrzymane w stosunkowo
krótkim czasie, przesterowane i na nowo uruchomione w przeciwnym kierunku obrotów, a
następnie po napełnieniu sprzęgieł, powtórnie podłączone do układu napędowego. Ponieważ
wał śrubowy nadal obraca się w pierwotnym kierunku obrotów, początkowo obie połówki
będą obracać się przeciwnie, silniki będą hamować śrubę i po zatrzymaniu będą przyspieszać
ją w przeciwnym kierunku. W ten sposób można znacznie skrócić czas trwania manewru pod
warunkiem, że przewidziane jest szybkie opróżnianie i napełnianie sprzęgła, związane z
dużymi przekrojami rurociągów olejowych, odpowietrzeń oraz wydajnością pompy. Gdy
sprzęgło nie jest przystosowane do szybkiego rozsprzęglenia i zasprzęglenia, jego opróżnianie
i napełnianie trwa tak długo, że nie tylko nie uzyskuje się polepszenia właściwości
manewrowych, ale ich pogorszenie wskutek większego całkowitego momentu bezwładności
układu napędowego.
n
PRZEKADNIA
A B C D E F
t
SILNIK
przesterowanie hamowanie przyspieszanie
Rys. 27.Przebieg wykonania manewru dla układu napędowego ze sprzęgłem
hydrokinetycznym
NAPRZÓD
B LUZEM WYA

CZENIE SPRZ
GA
A
WSTECZ
ROZRUCH
PRZERWANIE DOPA
YWU PAL.
ROZA

CZENIE SPRZ
GA
A
Siłownie Okrętowe  ESO III 53
Przebieg wykonywania manewru z  cała naprzód na  cała wstecz przy napędzie pośrednim
ze sprzęgłami hydrokinetycznymi przedstawia 0 wyżej. Przed rozpoczęciem manewru
zarówno silnik jak i przekładnia biegną prawie z tą samą liczbą obrotów. Obroty przekładni są
nieznacznie niższe na skutek poślizgu występującego w sprzęgle hydraulicznym.
Jednocześnie z odcięciem dopływu paliwa (punkt A) sprzęgło zostaje opróżnione i obroty
silnika szybko spadają natomiast obroty przekładni znacznie wolniej na skutek jej dużego
momentu bezwładności i oddziaływania śruby napędowej. W punkcie  B silnik zostaje
zatrzymany, przesterowany i powtórnie uruchomiony (punkt C).
Przez krótki okres czasu silnik biegnie luzem i dopiero po osiągnięciu odpowiednich obrotów
(około 70% nnom) napełnia się sprzęgło (punkt D) zwiększając równocześnie wtrysk paliwa w
silniku tak, aby liczba obrotów silnika mimo zwiększającego się obciążenia już nic spadała.
W tym okresie pracy hamowana, jest przeciwnie obracająca się druga część sprzęgła,
przekładnia i śruba, na skutek, czego ich liczba obrotów szybko spada aż do osiągnięcia w
punkcie  E wartości zero.
W ostatnim okresie następuje przyspieszanie obrotów całego układu napędowego w
przeciwnym kierunku, czemu towarzyszy nieznaczny wzrost obrotów silnika na skutek
zmniejszenia się wielkości momentu zapotrzebowanego przez śrubę, aż w końcu w punkcie
 F zostaje zakończony manewr zmiany biegu układu napędowego.
Hamowanie a następnie przyspieszanie układu napędowego zostaje dokonane w stosunkowo
krótkim czasie, ponieważ jak wynika z charakterystyk sprzęgła hydrokinetycznego przy
dużym poślizgu może być przejęty moment kilkakrotnie większy od momentu nominalnego.
Silnik po jego przesterowaniu powinien osiągnąć dostatecznie wysoką liczbę obrotów na
biegu luzem, ponieważ moment przenoszony przez sprzęgło hydrokinetyczne w
przeciwieństwie do sprzęgła elektromagnetycznego zależny jest nie od prędkości względnej
obu połówek, ale od prędkości bezwzględnej, względnie od obrotów części pierwotnej
(pędzącej) sprzęgła.
Podobne korzyści uzyskuje się przy sprzęgłach elektromagnetycznych. Pod względem
właściwości manewrowych, Sprzęgło elektromagnetyczne w porównaniu ze sprzęgłem
hydraulicznym ma tę zaletę, że można wykonać nim szybko dowolną ilość manewrów, bez
konieczności instalowania dodatkowych urządzeń wymaganych dla szybkiego opróżniania i
napełniania sprzęgła hydrokinetycznego. Połączenie względnie rozłączenie obu połówek
sprzęgła odbywa się wyłącznie na drodze elektrycznej przez włączenie względnie wyłączenie
wzbudzenia. Jednakże sprzęgło elektromagnetyczne wymaga stałej mocy wzbudzającej
wynoszącej 60-100 kW, oraz instalacji dla odprowadzania ciepła, co jest szczególnie ważne
przy pracy sprzęgła z dużym poślizgiem.
Siłownie Okrętowe  ESO III 54
n
n
30 t
ns
Rys. 28.Przebieg wykonywania manewru dla układu ze sprzęgłem elektromagnetycznym
n - obroty silnika
ns - obroty śruby   pomnożone przez stosunek przełożenia  i .
Przebieg wykonania manewru z "cała naprzód na "cała wstecz dla układu napędowego ze
sprzęgłem elektromagnetycznym o mocy 1000 KM przedstawia 0 wyżej. Przy wyłączeniu
sprzęgła pełne obroty wstecz są uzyskiwane po 30 sek., natomiast ten sam manewr przy
załączonym sprzęgle trwałby 180 sek. Na 0 wyżej
WSTECZ NAPRZÓD